《云海玉弓缘》是一部描绘金世遗（林峰饰）从蛇岛远赴中原后的武侠传奇，他在此过程中与厉胜男（叶璇饰）和谷之华（李彩桦饰）分别建立了深厚的情感纽带，并携手对抗武林中的邪恶势力孟神通与西门牧野。
故事始于一个被中原人称为蛇岛的偏远岛屿，绝世高手独龙尊者因修炼走火入魔而命不久矣，他在临终前嘱托将自己抚养长大的孤儿金世遗（林峯饰）带着一封密信返回中原，务必亲手交予邙山派掌门吕四娘（白茵饰）。金世遗怀着沉重的心情告别蛇岛，这一离去，便标志着他命运的巨大转折…
金世遗初到中原，所遇皆为善缘，这使得他对独龙尊者所言中原人心险恶之说产生了怀疑。他在一场女子厉胜男与仇敌的搏斗中出手相助，却因此中了毒针，幸得胜男为其疗伤，不料金世遗竟安然无恙地醒来，令胜男倍感愤怒。实际上，胜男是西门野派出的杀手，其目的在于暗中挑起门派间的纷争。
正值少林与丐帮两大门派激战之际，涉世未深的金世遗无意间展现出超凡武艺，这一举动赢得了奉吕四娘之命前来调解纷端的邙山派弟子谷之华的深深敬佩。江南（陈国邦饰）也因此决心拜金世遗为师，而李沁梅（罗敏庄饰）则视他为心中的如意郎君。与此同时，厉胜男因金世遗的介入破坏了她的计划而对他怀恨在心。
由于长期居住于蛇岛，金世遗纯真善良且对男女之情懵懂无知，这一特点让谷之华既好笑又无奈，但也正是这份纯真让她对金世遗有了更深的理解，两人之间逐渐滋生出爱慕之情……
厉胜男一心想要向金世遗复仇，于是设法与他接近，颠倒黑白地挑唆他对抗正道人士，导致金世遗屡屡惹祸却浑然不觉。然而，在这个过程中，厉胜男也不由自主地被金世遗的纯真可爱所打动，对他产生了一丝微妙的情感……。胜男对之华的身份产生怀疑，设下计谋让她在世遗面前出丑。之华因被世遗无意中看到她沐浴时的情景，羞愧难当，留下书信返回邙山。
金世遗追至邙山，得知四娘自知时日无多，不惜耗尽内力救治世遗，之华见四娘吐血，心中悲痛万分。四娘临终前将玄女铁剑及掌门之位传予之华，并嘱托她继续修炼少阳神功心法。四娘圆寂后，锦儿认定这是独龙尊者害死四娘的阴谋，再见之华手持玄女铁剑，便指她与世遗私通，谋害四娘夺位，仲牟指出四娘确是为耗尽真气而亡，着锦儿冷静应对，与晓风等人劝她先为四娘治丧。
谷之华与金世遗百口莫辩，伤心离去，金世遗不断安慰，二人感情迅速升温，决定一同闯荡江湖。谷之华虽然离开了邙山，却始终挂念着门派的安危，悄悄返回邙山，不料遭到胜男的阻拦，世遗因而误会她受到了胜男的欺负。心梅得知之华怀疑胜男偷走了心法，便设下计策前往胜男房中搜寻心法，结果惊动了众人，世遗相信胜男，心梅不忿离去。之华为此向胜男道歉，胜男却并不接受。
十五年前，胜男一家惨遭灭门，金世遗在安慰她的同时发现了半张藏宝图，他认为这就是厉家被灭门的关键。胜男担心终有一天会被世遗发现自己的真实身份，试探世遗是否能够接受并原谅自己，世遗答允只要明白她的苦衷，绝不会怪责她，胜男因此感到无比高兴。
而金世遗在救谷之华的过程中，两人的感情进一步加深，这令胜男感到十分痛苦。胜男刻意让之华误会自己与世遗关系亲密，之华因此感到难受。谷之华原来是神通的女儿，她的身世被揭穿，但金世遗仍然对她竭尽全力地维护。这更加深了胜男的痛苦。之华出走，胜男以寻找她的名义骗金世遗出海。
胜男用计策将之华和金世遗分开，独自与世遗出海，在岛上遇到了胜男的叔婆，胜男为了保住世遗的性命，谎称他是自己的未婚夫，阿英逼迫二人当晚成亲，世遗感到震惊。世遗无奈之下与胜男拜堂成亲，世遗强调这一切只是做戏，气坏了胜男。胜男得到了北冥神功，却被随之赶来的孟神通用之华的性命威胁，胜男指出之华是她女儿，神通半信半疑。世遗交出半部秘籍，胜男感到难过。世遗走火入魔，狂性大发，众人感到震惊。
为救金世遗，胜男不断输真气给他，最终令他苏醒过来。被孟神通带走的之华却在醒来后失去了记忆。世遗担心之华的安危，准备做木筏离开海岛，胜男对此表示不满，更指出木筏无法抵挡海上强风。世遗冷静下来后，也明白胜男的话中之意，决定暂时留在海岛。胜男与世遗在海岛上相处三个月后，感情逐渐深厚。
世遗为胜男庆祝生辰，却无意中发现她偷偷藏起了之华所赠的香囊，感到非常不满，胜男因此感到难过。翌日，胜男带世遗到北冥当年准备的小艇，并决定与他一同返回中原，好让世遗在二女之间做出选择。
之华发现孟神通是不会为了自己放下屠刀的，金世遗及时将险遭赤符污辱的之华救出。世遗对众人说出与胜男在海岛上的经历，胜男刻意在众人面前说出自己已经与世遗拜堂成亲，之华闻言感到神伤。世遗欲向之华解释拜堂一事，之华却不予理会。
孟神通最终死去，此时，牧野出现并说出与胜男的关系，世遗感到被欺骗，怒掴胜男，胜男反驳后痛心离去。之华拜祭神通后，为胜男向世遗说好话，世遗却因一直被其蒙骗而拒绝接受。牧野练成北冥神功，欲称霸武林，命胜男杀世遗以除后患，胜男趁机要求事成后要恢复自由。
胜男送上神通的首级恭贺之华荣升邙山派掌门，之华晕倒，却原来中了胜男所下的毒。世遗找胜男求解药，胜男即要胁要与他成亲，世遗为救之华无奈答允。
世遗跟胜男拜堂后，问她取解药，才知胜男根本没有加害之华的意图，并惊悉她练成了北冥神功最后一章的「天魔解体大法」来对付牧野。胜男达成心愿与世遗合卺交杯后，祝福他与之华白头到老，便死于他怀中。世遗因胜男之死，终日茶饭不思，经之华开解后，世遗决定为胜男做最后一件事情。他带着胜男的尸体出海，给她一个属于两个人的家……