Die Oper basiert auf historischen Ereignissen aus dem römischen Bürgerkrieg der Jahre 48 – 47 v. Chr. Julius Caesar (Giulio Cesare) hat seinen Rivalen Pompeius (Pompeo) besiegt und verfolgt ihn bis nach Alexandria, der Hauptstadt Ägyptens. Dort herrschen Cleopatra und ihr jüngerer Bruder Ptolemaios (Tolomeo) gemeinsam über das Reich; sie sind die letzten Vertreter*innen der Dynastie, die nach der Eroberung Ägyptens durch Alexander den Großen entstand. Pompeius bittet Ptolemaios um Schutz und militärische Unterstützung.

Akt I

Giulio Cesare zieht mit seinem Feldherrn Curio und seinen Truppen in Alexandria ein. Dort bitten Cornelia und Sesto, die Frau und der Sohn des Pompeo, um Frieden – Cesare willigt ein und erklärt sich bereit, Pompeo zu vergeben. In diesem Moment erscheint Tolomeos Berater und Heerführer Achilla mit dem abgeschlagenen Kopf des Pompeo. Entsetzt weist Cesare dieses „Geschenk“ zurück und will Tolomeo noch am selben Abend zur Rede zu stellen.

Im alexandrinischen Palast plant Cleopatra ihre Alleinherrschaft. Als sie durch ihren Diener Nireno von der Ermordung des Pompeo erfährt, beschließt sie, Cesare aufzusuchen und seine Unterstützung zu gewinnen. Achilla berichtet Tolomeo von Cesares Reaktion und bietet an, Cesare zu ermorden, wenn er selbst dafür Cornelias Hand erhält.

In Cesares Lager finden die Trauerfeierlichkeiten für Pompeo statt. Cleopatra erscheint verkleidet als „Lidia“, eine Hofdame Cleopatras, die Cesare sofort in ihren Bann zieht. Derweil beschließt Cornelia mit ihrem Sohn Sesto, den Mörder ihres Gemahls, Tolomeo, zu töten – Cleopatra bietet ihnen ihre Unterstützung an.

Cesare trifft Tolomeo in einem diplomatischen Gespräch; trotz gegenseitigen Misstrauens nimmt er die Einladung Tolomeos an, ein Zimmer in dessen Palast zu beziehen. Wie sich später herausstellen wird, ist dies eine Falle: Tolomeo will Cesare dort ermorden lassen. Cornelia und Sesto kommen in den Palast und werfen Tolomeo vor, für Pompeos Tod verantwortlich zu sein. Tolomeo ist von Cornelias Schönheit fasziniert, aber als Sesto ihn zum Kampf herausfordert, befiehlt er die Gefangennahme von Mutter und Sohn. Tolomeos Heerführer Achilla verspricht Cornelia Freiheit, wenn sie sich ihm hingibt, doch sie weist ihn empört zurück.

Akt II

Im Palast veranstaltet Cleopatra, die sich immer noch als „Lidia“ ausgibt, eine Aufführung, um Cesare endgültig für sich zu gewinnen. Darin inszeniert sie sich als Göttin der Tugend, umgeben von neun Musen. Cesare ist hingerissen. Der Diener Nireno teilt ihm mit, dass „Lidia“ seine Gefühle erwidere und ihn später in ihren Gemächern erwarte.

Cornelia beklagt unterdessen ihr Schicksal in Gefangenschaft. Sie weist Achilla erneut zurück, wird jedoch kurz darauf von Tolomeo bedrängt. In ihrer Verzweiflung erwägt sie Suizid, wird aber vom hereinstürzenden Sesto davon abgehalten, der mithilfe von Cleopatras Diener Nireno entkommen ist. Nireno schlägt vor, Sesto heimlich in Tolomeos Harem zu schmuggeln, um ihn dort – wo der König unbewacht und angreifbar sein wird – zu ermorden.

Cleopatra erwartet Cesare in ihren Gemächern. Doch das Liebestreffen wird durch Cesares Feldherrn Curio unterbrochen, der berichtet, Attentäter suchten im Palast nach Cesare. Cleopatra gibt nun ihre wahre Identität preis und bittet Cesare, sich in Sicherheit zu bringen. Er weigert sich und möchte sich seinen Gegnern stellen. Cleopatra bittet die Götter, ihn und ihre inzwischen aufrichtige Liebe zu schützen.

Akt III

Tolomeo fühlt sich in seinen Gemächern sicher und legt seine Waffen ab. Sesto versucht, Tolomeo mit dessen eigenem Schwert zu töten, wird jedoch von Achilla entwaffnet. Achilla ruft daraufhin Tolomeo zu den Waffen. Er berichtet, Cesare sei bei einem Angriff im Hafen ertrunken.

Cleopatra hat sich ins römische Lager gerettet und dort ein Heer zum Angriff auf den Palast versammelt. Tolomeo bereitet sich auf den Kampf vor, verweigert Achilla jedoch die versprochene Hand Cornelias. Wütend wechselt Achilla die Seiten und unterstützt nun Cleopatra. In der folgenden Schlacht erringen Tolomeos Truppen den Sieg, Cleopatra wird gefangen genommen.

Unterdessen spült das Meer den lebenden Cesare an Land. Sesto und Nireno treffen auf den schwer verwundeten Achilla. Bevor er stirbt, übergibt er Sesto ein Siegel und damit die Befehlsgewalt über seine Truppen. Cesare hört mit, nimmt Sesto das Siegel ab und sammelt ein Heer für den Angriff auf den Palast. In ihrer Gefangenschaft bereitet Cleopatra ihren Suizid vor. Doch Cesare stürmt den Palast und befreit sie. Er schickt sie zum Hafen, um ihre Armee zu sammeln, während er selbst Tolomeo zum Kampf herausfordern möchte. Dieser wähnt sich bereits als Sieger und verfolgt weiterhin Cornelia. Da kommt Sesto hinzu und tötet Tolomeo.

Der Krieg ist entschieden. Cesare krönt Cleopatra zur alleinigen Königin Ägyptens. Sie erklärt ihre Loyalität gegenüber dem Römischen Imperium. Gemeinsam besingen die Liebenden den Frieden, und alle feiern den Neubeginn.