Natalia zostaje wciągnięta w przygodowo-sensacyjną intrygę związaną z planowanym zamachem na cara i rabunkiem przewożącego złoto pociągu. Jednym z wątków jest jej romans z Ernestem Walterem, zaginionym mężem Heleny Stawskiej. W międzyczasie, Julian Ochocki konstruuje machinę latającą, natomiast Izabela Łęcka zostaje oszustką uwodzącą i okradającą europejskich arystokratów. Natalia, będąca po matce pół-Żydówką, poszukuje własnej tożsamości, interesując się kulturą żydowską i mistyką. W toku wydarzeń pojednuje się z umierającą matką, a następnie z odnalezionym ojcem.
Analiza Dariusz Piechota zaliczył Córkę Wokulskiego do współczesnych przeróbek dziewiętnastowiecznej literatury realistycznej. Według badacza fabuła została oparta na schemacie charakterystycznym dla science fiction, a powieść zachęca odbiorcę do rozpoznawania licznych aluzji literackich i kulturowych. Piechota określił ją jako intertekstualny „literacki patchwork”, czerpiący zarówno z literatury, jak i ze współczesnej kultury popularnej.
Romans Natalii Pol i Ernesta Waltera wykorzystuje klisze romantyczne i melodramatyczne oraz nawiązuje do Pani Bovary Gustave’a Flauberta. Epizod dotyczący udziału Wokulskiego w powstaniu styczniowym odwołuje się natomiast do Wiernej rzeki Stefana Żeromskiego.