Il Canzoniere (titolo che ha soppiantato nell'uso comune quello ben più significativo voluto dall'autore, Rerum vulgarium fragmenta) è una raccolta organica di testi lirici in volgare. Nella redazione definitiva esso comprende 366 poesie, divise in due parti (1-263, 264-366).
Il Canzoniere racconta le alterne vicende di un amore non ricambiato per una donna di nome Laura. Dopo aver invocato nel sonetto 1 la compassione dei lettori per la propria passione giovanile (che quindi è interamente vista a posteriori), il narratore passa a illustrare le circostanze dell'innamoramento (sonetti 2 e 3), il nome e il luogo di nascita della donna (sonetti 4 e 5). Superata la parte proemiale, la narrazione entra nel vivo mettendo in scena la figura dell'innamorato in balia dei propri istinti sensuali (sonetto 6) e prosegue descrivendo gli alti e bassi dei suoi rapporti con Laura, fra speranze e successive ricadute nella disperazione. In questa prima sezione è notevole per impegno la canzone 23, che rievoca le fasi iniziali dell'amore per Laura attraverso vari travestimenti mitologici tratti dalle Metamorfosi ovidiane; lentamente, però, si fa strada l'idea che la donna non sia solo un oggetto di concupimento ma possa svolgere un ruolo salvifico per l'anima del narratore (canzone 29) e che la passione per lei sia moralmente condannabile (sonetto 62). In realtà Petrarca si chiude in un vicolo cieco: la frustrazione del desiderio torna a onore della virtù di Laura, mentre l'esaudimento delle richieste dell'innamorato non è concepibile nella tradizionale visione dell'amore cortese. Una svolta si realizza dopo che la canzone 70 ha ripercorso, attraverso citazioni di incipit memorabili, la linea maestra della poesia amorosa in volgare (il provenzale Arnaut Daniel, Guido Cavalcanti, Dante Alighieri, Cino da Pistoia e lo stesso Petrarca): le canzoni 71, 72 e 73, in lode degli occhi di Laura, mostrano in atto la sublimazione del desiderio e celebrano l'elevazione spirituale che la donna ispira, accogliendo un'ottica stilnovista. Ma la svolta non è definitiva: il narratore conosce presto una ricaduta e riprende i suoi ondeggiamenti fra rimpianti per il tempo perduto, rinnovate speranze di infrangere la durezza di Laura, lodi estatiche della sua bellezza, sensi di colpa e tentativi di sottrarsi al giogo amoroso. La svolta definitiva, preparata da una serie di premonizioni, ha luogo subito dopo l'inizio della seconda parte del Canzoniere, quando il sonetto 267 annuncia la morte di Laura. Ai toni luttuosi subentrano presto meditazioni sempre più insistite sulla vanità delle cose, fino all'esplicita sconfessione della canzone 366: l'amore per Laura ha avuto un carattere intrinsecamente negativo, ha traviato il narratore dalla strada della virtù; ma ora egli è deciso a consacrare alla Vergine Maria tutte le sue opere future.
Da un punto di vista di storia dei generi l'elemento più innovativo del Canzoniere consiste nel disporre le poesie entro una struttura narrativa. La storia dell'amore per Laura ha inizio in un giorno preciso, il 6 aprile 1327 (data dichiarata nel sonetto 211); viene scandita da vari testi di anniversario che commemorano il giorno dell'innamoramento; viene segnata dalla morte della donna, occorsa il 6 aprile 1348 (data dichiarata nel sonetto 336). All'interno di questa struttura è ricostruibile una fitta trama di episodi, a volte non circoscrivibili cronologicamente, a volte collegati agli spostamenti di Petrarca (è il caso dei sonetti sulla traversata delle Ardenne) o ai suoi corrispondenti (quali Sennuccio del Bene). Il Canzoniere non si esaurisce nel tema amoroso ma contiene anche testi occasionali (quali quelli indirizzati a vari membri della famiglia Colonna e al loro parente Orso dell'Anguillara), destinati a suggerire un'esperienza umana sfaccettata: fra di essi spiccano per importanza tre grandi canzoni politiche (la 28, incitamento alla crociata; la 53, auspicio per la restaurazione della potenza di Roma; la 128, contro l'uso di truppe mercenarie da parte dei signori italiani) e i sonetti contro la curia papale di Avignone. Tutto ciò dà al lettore l'idea di una progressione narrativa pur nella inevitabile riproposta delle medesime situazioni: cosicché con il Canzoniere la dimensione temporale fa il suo ingresso nel genere lirico.
Il numero delle poesie del Canzoniere, 366, allude probabilmente al numero dei giorni di un anno: al di là delle varie forme di struttura calendariale che sono state ipotizzate al riguardo, sembra innegabile la volontà petrarchesca di rendere la sua raccolta lirica una sorta di breviario laico.