À San Francisco, Scottie est un homme qui ne supporte pas l'altitude et a souvent des crises de vertige, très gênantes dans sa fonction de policier. Après la mort d'un de ses collègues, accident qui déclenche son acrophobie, il quitte la police. Une de ses connaissances, Gavin Elster, le contacte afin de suivre Madeleine, sa jeune femme, qu'il prétend possédée par son aïeule, Carlotta Valdes. D'abord hésitant, Scottie finit par accepter. Après des longues filatures, il se rend compte par lui-même qu'il y a une part de vérité dans ce que lui a dit Gavin. Lorsque Madeleine tente de se donner la mort en se jetant dans la baie de San Francisco, il la sauve de la noyade in extremis et la ramène chez lui.
Il fait sa connaissance et est de plus en plus fasciné par la folie douce qui a poussé Madeleine à tenter de se suicider. Ils tombent amoureux l'un de l'autre, mais la jeune femme est victime d'une nouvelle crise de folie et se jette du haut de la tour d'une église. Scottie, paralysé par son acrophobie, n'a pas pu la suivre et l'empêcher de tomber.
Après plus d'une année de dépression et de mutisme, il commence à retourner dans les endroits qu'il a connus avec Madeleine. Il croit la voir partout mais il est déçu. Au détour d'une rue, il rencontre Judy (Lucie dans la version française), aussi rousse que Madeleine était blonde, mais avec pourtant les mêmes traits. Après avoir suivi, hébété, ce sosie de la disparue, et l'avoir abordé, ils finissent par sortir ensemble. Scottie lui demande de colorer les cheveux en blond, lui achète le tailleur que portait la défunte, bref, la remodèle de façon à la transformer en Madeleine. Judy, qui s'en rend compte, est désespérée mais le laisse faire parce qu'elle l'aime. Un soir que le couple s'apprête à sortir et que Judy achève de se préparer, celle-ci met autour du cou un bijou ayant appartenu à Madeleine. Scottie le reconnaît et comprend qu'il a été la victime d'une horrible machination. Il décide de tout faire avouer à la jeune