La pièce Les Marionnettes du docteur a obtenu un grand succès au Théâtre de l'Odéon. Sa mise en scène a fait preuve d'une grande originalité: le décor de l'acte 2 reprend, en l'agrandissant, celui du théâtre de marionnettes l'acte 1 et, à l'acte 5, les scènes de l'acte 4 sont réduites aux dimensions des marionnettes. Surtout, l'acte 4 juxtapose deux compartiments (deux au niveau de la scène, deux disposés au-dessus) et entrelace les dialogues de ces quatre scènes simultanées.

Les Marionnettes du docteur est un exemple, rare au milieu du 19e siècle, d'une pièce pour acteurs intégrant une scène de marionnettes pour un jeu de théâtre dans le théâtre. Cependant, les marionnettes ne sont matériellement présentes dans leur castelet qu'au début et à la fin de leur spectacle, à la fin de l'acte 1 et au début de l'acte 5: dans l'intervalle, elles sont remplacées par les acteurs sur scène.

Le docteur Lebon, un médecin normand, termine la fabrication d'une marionnette à l'effigie du domestique Pigeonneau et la range avec d'autres qu'il cache dans une armoire. Il explique dans un monologue qu'il s'apprête à donner une leçon à ses deux voisins, Georges et Henri de Vernon, dont ses deux nièces sont amoureuses: Marie aime Georges, un jeune homme à l'humeur sombre, tandis que Rose est amoureuse d'Henri, un jeune homme à l'esprit volage. Le serviteur de Georges et Henri, Pigeonneau, s'apprête quant à lui à partir à Paris avec ses maîtres sans se soucier de Madelon qui est amoureuse de lui.

Le docteur invite Georges et Henri pour un dernier dîner avant leur départ. Mais, en attendant que le repas soit servi, il les invite à regarder l’un de ses spectacles de marionnettes. Le rideau de la petite scène s'ouvre et l'on reconnaît Henri, Georges, Pigeonneau et les nièces figurées par des marionnettes. Puis un nuage s'élève et lorsqu'il se dissipe, le décor du théâtre de marionnettes s'est agrandi aux dimensions de la scène, et les acteurs ont pris la place des marionnettes qui figuraient leurs personnages.

Les trois actes suivants sont donc censés être joués par des marionnettes. Ils commencent par l'arrivée de Pigeonneau chez le comte et la comtesse de Villiers. Pigeonneau est chargé d'apporter un bouquet et une lettre d'Henri pour la comtesse. Celle-ci se plaint à sa dame de compagnie, qui n'est autre que Rose, de son mari qui la trompe et a dilapidé toute leur fortune en jouant et en entretenant ses maîtresses. Elle montre à Rose le bouquet que Pigeonneau vient d'apporter, et révèle à la jeune fille sa relation amoureuse avec Henri.

La comtesse reçoit la visite de son mari le comte demandant cinquante mille francs : il souhaite vendre la maison de la mère de la comtesse et lui demande de signer le contrat. Elle refuse de payer les dettes de sa vie de débauche. Le docteur Lebon, en visite à Paris, annonce au comte qu'une jeune femme avec lequel il avait une liaison est morte en couches, que son fils lui ressemble beaucoup, mais que la soeur aînée de l'accouchée l'a adopté, ce qui rassure le comte. Arrivent ensuite Georges et Henri suivis de nombreux autres invités. Au cours de la réception, la comtesse découvre que son mari est informé de sa relation avec Henri car il a intercepté la lettre qu'apportait Pigeonneau, mais aussi qu'il a volé ses diamants pour les vendre. Le comte et la comtesse se menacent mutuellement. Les invités partent mais la comtesse demande à Henri de rester pour protéger sa fuite. Il voit Rose arracher la page du sonnet qu'il a écrit pour la comtesse et comprend que Rose est amoureuse de lui. Le comte menace de tuer Henri puis le provoque en duel..

Quelques mois plus tard, le docteur rend visite à Marie, la sœur de la jeune fille morte en couches, et qui vit désormais dans une mansarde. Par ailleurs, elle reçoit de fréquentes visites de Georges qui est amoureux d’elle. Marie se trouve dans la pauvreté et ayant un père malade et un petit enfant. Pierre, un ancien élève de son père, vient lui annoncer qu'il vient de réussir le concours de l'agrégation. Georges découvre la pauvreté de Marie et paye à sa place le loyer. Cependant, il est persuadé de ne pas pouvoir l'aimer et lui rend la croix d'or qu'elle lui avait offerte. Elle la donne à Pierre, qui lui a déclaré son amour.

Le quatrième acte se joue dans un dispositif simultané, la scène étant divisée en quatre compartiments montrant à la fois le riche appartement parisien de Georges, la cellule de Rose dans un couvent de Nevers, une chambre d'auberge à Bade et la maison de Pierre et Marie à Blois. L'action se déroule des années plus tard: Jules, l’enfant adopté de Marie, grandit avec elle et son époux Pierre. Henri et la comtesse ont eu aussi un enfant, Paul, mais sa mère refuse de s'en occuper et ne se préoccupe que de ses toilettes pour continuer de plaire à Henri, lequel a dû faire croire à sa mort et changer plusieurs fois de nom. Rose s'apprête à prononcer ses voeux. Georges est gravement malade. Tandis que Marie et Rose ont trouvé une forme de bonheur, Georges et Henri sont malheureux des vies qu'ils ont choisies et pensent aux nièces du docteur. Henri oblige la comtesse à partir pour une nouvelle destination, ce qui provoque une violente dispute entre eux. Georges meurt tandis que Pigeonneau lui vole sa montre et vide ses tiroirs à la recherche de l'argent, et le spectacle de marionnettes s'achève. Le nuage réapparaît et cache le changement de décor. Lorsqu'il disparaît, le petit théâtre de marionnettes reproduits exactement, en miniature, les quatre scènes simultanées.

Henri, Georges et Pigeonneau demeurent ahuris à la fin de la pièce. Les deux frères commencent à en tirer des conclusions à voix haute, en devinant son intention didactique. Ils décident de ne pas partir et de rester auprès des nièces du docteur.