Il balletto tratta dell'innamoramento dello scultore Manasses per la statua, da lui scolpita, di una bellissima ragazza. Egli chiede al diavolo di infondere nell'immagine marmorea la vita, e quindi il sentimento, in cambio della sua anima. Belfagor acconsente ma a patto che la fanciulla non venga sfiorata dall'amore. Fatma, questo é il suo nome, prende vita e appare in sogno al principe Alyatar che si trova a Siviglia, in Spagna. Al suo risveglio Satana gli promette di presentargli Fatma ed organizza una festa alla quale la ragazza è condotta da Manasses. Qui essa si esibisce danzando in veste zingaresca, contravvenendo alle disposizioni del governatore del luogo.

Deve quindi fuggire su una barca ed è inseguita a nuoto da Alyatar. Il re di Spagna, che accoglie Fatma nel suo palazzo, ne rimane affascinato ma è costretto a fuggire a causa di una ribellione dei Mori manovrata da Alyatar. Questi, vincitore, è ormai ben visto da Fatma che se ne innamora.

Alyatar le promette la nozze, ma Fatma è in tal modo contravvenuta al patto con il diavolo. Preferendo l'amore degli uomini all'immortalità essa deve tornare ad essere statua, trasformazione che Belfagor non tarda ad eseguire, impossessandosi dell'anima dello sconfitto Manasses.

Notevoli le analogie con il balletto Alma ou la fille de feu di Jules Perrot (1842) che evidentemente ha preceduto La fille de marbre. Gli interpreti, Cerrito e Saint-Léon, sono gli stessi in entrambe le coreografie, ma occorre considerare che la "moda" dell'epoca era di "prendere a prestito" da balletti preesistenti i soggetti convenzionali.