饭店里，山姆在钢琴上弹着《时光流转》，街上的喇叭在播送盖世太保的嚣喧。山姆和依尔沙知道里克是德国纳粹悬赏捉拿目标，劝他马上离开巴黎，里克建议三人一起走。讲定在火车站碰头。分手时，依尔沙对里克说，无论怎样，她都非常爱他。火车站前，里克在风雨中焦急地等着依尔沙。山姆来了。交给里克一封依尔沙的信。里克迫不及待地拆开，信中写道：“我不能和你一同走，也不能和你再见面了，你一定不要问为什么。只要相信我爱你。”雨点打在信纸上，字迹模糊了……
依尔沙出现在正在回忆往事的里克面前。里克这才发现，山姆正准备回家。他冷冷地对依尔沙说：“我们已停止营业。” 依尔沙想找里克谈件事，但里克却质问她为什么要到卡萨布兰卡来，还告诉她，自己的心已被高跟鞋踢伤。依尔沙想解释，里克不想听。拉斯罗和依尔沙应邀来到警察局，司特拉斯要拉斯罗供出欧洲各国地下抵抗组织的领导人，答应给他们发护照。拉斯罗回答得很巧妙：“在集中营里”。拉斯罗和依尔沙找到黑市头面人物弗拉里，想花钱买两张护照，弗拉里告诉他们，只能卖一张，因为拉斯罗是德国当局控制对象，没人敢卖护照给他。弗拉里还告诉他们，犹加特的那两张特别通行证估计在里克那里，虽然警察局曾去搜，但没搜到。他建议拉斯罗去找里克帮忙。但里克却很冷漠。拉斯罗问他原因，里克要他问问自己的太太。
正在谈话，饭店里的德国人唱起了法西斯军歌。拉斯罗到乐队前指挥起马赛曲，周围的人都唱了起来，压住了德国人的歌声。司特拉斯气急败坏，命令雷诺立即查封里克饭店。晚上，依尔沙又来找里克，要他交出通行证，里克不肯。依尔沙又以旧情要求他，他还是不理睬。依尔沙无奈，拔出了手枪。里克取出了通行证，却又说，只有开枪打死他才能办到。依尔沙手中的枪掉了下来。她向里克倾诉了当时离他而去的原因。她和拉斯罗结婚刚三个星期，他就到布拉格去了，不久，传来他被捕死亡的消息。后来，她与里克相遇相爱。可就在她要和里克、山姆离开巴黎时，临去火车站前，忽然接到拉斯罗朋友的电话，说拉斯罗还活着，而且就在巴黎郊外，正在生病。她虽然爱里克，但不能扔下拉斯罗不管。里克明白了一切，决定帮助拉斯罗。雷诺因为拉斯罗参加秘密集会，决定逮捕他，里克知道后帮他出主意：待拉斯罗拿到通行证后再逮捕他。这样雷诺可以一举两得立功，里克也可以带着漂亮的依尔沙到美国去。雷诺同意了。
拉斯罗在飞机起飞前几分钟来到饭店，拿到了通行证。他要将十万法郎给里克，里克不要，说他去美国用得着。正在这时，雷诺突然出现，宣布逮捕拉斯罗。拉斯罗感到意外，里克却掏出手枪对准了雷诺，要他给机场打电话：不得留难拉斯罗和依尔沙。雷诺却将电话打到德国领事馆，尽管不便讲清，司特拉斯却已明白事情不妙，带了警察直奔飞机场。里克逼着雷诺在通行证上签上拉斯罗和依尔沙的名字，雷诺和依尔沙却很惊奇。里克对依尔沙说：“我们将永远记住巴黎。你来卡萨布兰卡以前，我们的甜蜜记忆消失了，昨天夜里我们把它找回来了。” 飞机的马达发动了。司特拉斯冲进了机场。当他知道拉斯罗已上了飞机，便企图打电话阻止飞机起飞。里克用枪指住他，司特拉斯依然拿起电话机拨通电话，里克的枪响了，打死了司特拉斯。尾随而来的宪兵刚刚赶到，雷诺却命令宪兵去把往常的嫌疑犯都抓起来。
飞机起飞了。雷诺对里克说：“你不但是感情主义者，你也变成了一个爱国者了。”里克说这正是重新开始的大好时机。雷诺表示希望里克离开卡萨布兰卡，隐匿一段时间，交通他安排，里克说起10万美元的赌约，雷诺说他们俩马上用得着了。然后私下建议锐克一同去参加自由法兰西抵抗运动。最后，一对反纳粹新战友一同消失在雾气蒙蒙的黑夜中。故事曲折出奇的结局使这部影片成为描写爱情，人性和关于为正义献身的经典之作。