Nina Sayers, uma jovem bailarina de 20 e poucos anos, dança o prólogo de “O Lago dos Cisnes”, um balé em que uma princesa se transforma em Cisne Branco e que só pode voltar ao estado inicial, se um homem jurar fidelidade eterna a ela. Na medida em que Nina dança no papel da princesa, o mágico aparece e coloca a maldição sobre a princesa. Nina então acorda em seu apartamento, tendo a seqüência de dança sido apenas um sonho. Ela começa seu alongamento diário, falando à mãe sobre o sonho, enquanto esta não lhe dá atenção. Ela comenta ainda que o diretor de sua companhia de balé, Thomas Leroy, prometeu-lhe aproveitá-la mais nesta nova temporada.

Nina vai ao estúdio, onde toma conhecimento que a bailarina principal está sendo afastada, devido à sua idade ser superior a 40 anos. Como resultado, Thomas está procurando um novo rosto para substituí-la. Ele anuncia a todos que a primeira apresentação da temporada será uma reedição de “O Lago dos Cisnes.

Mais tarde, testes são realizados para encontrar a substituta de Beth como a Princesa Cisne. Nina dança o Cisne Branco impecavelmente e, em seguida, Thomas lhe pede para dançar o Cisne Negro. Quando ela começa a dançar, é interrompida pela chegada tardia da nova bailarina, Lily. De qualquer forma, Thomas não se mostra impressionado com seu desempenho, afirmando que ela falhou ao tentar captar a sensualidade do Cisne Negro.

Nina vai para casa, onde desaba em lágrimas. Em seguida, passa a praticar sua dança até o ponto em que machuca um de seus dedos do pé. No dia seguinte, procura Thomas em seu escritório e lhe diz que terminou a dança “Cisne Negro”, em casa, e que deseja o papel. Ele lhe responde que decidiu dar o papel a outra bailarina, Veronica. Um pouco decepcionada, ela diz 'ok' e se prepara para sair, quando ele a beija apaixonadamente. Irritada com esse avanço indesejado, Nina morde o lábio dele e sai correndo do seu gabinete, o que tanto impressiona Thomas.

Thomas anuncia oficialmente a "aposentadoria" de Beth e a ascensão de Nina ao posto de Rainha dos Cisnes. Tal anúncio, por outro lado, provoca ciúmes em algumas bailarinas, principalmente em Lily e Beth. Esta, com o rímel preto escorrendo pelo rosto, pergunta à Nina se, para ganhar o papel, ela teve que chupar o pau de Thomas. Ofendida, a jovem responde que nem todo mundo precisa recorrer a atos como esse. Beth continua a ofendê-la até que Thomas aparece e se retira em companhia de Nina. O dois vão até a casa dele, onde Thomas lhe pergunta se ela é virgem, se gosta de fazer sexo, deixando-a desconfortável. Finalmente, ele lhe diz que, para melhor desempenhar o seu papel, como bailarina, ela precisa descobrir sua sexualidade, passando-lhe então um dever de casa: procurar masturbar-se.

Na manhã seguinte, ao acordar, Nina começa a se tocar, conforme sugerido por Thomas, chegando ao orgasmo. Mais tarde, já no estúdio, toma conhecimento que Beth foi atropelada e que se acha hospitalizada. Thomas, entretanto, acredita que a bailarina se jogou contra o tráfego, numa tentativa de suicídio. Nina vai até o hospital, onde a encontra sedada.

Ao voltar a ensaiar, ela continua a ter dificuldades com seu desempenho. Desapontado, Thomas espera que todos saiam para ser seu parceiro. Enquanto dançam, ele move lentamente suas mãos por sob as coxas dela, tocando-a. Depois de um longo beijo, ela se mostra completamente seduzida. Ele se afasta dizendo-lhe que a seduziu, mas que, na verdade, o que queria era vê-la seduzindo sua dança.

Lily procura fazer intriga de Nina junto a Thomas, bem como a fazer de tudo para que a bailarina perca o papel de Princesa Cisne. No dia seguinte, por exemplo, irritado, Thomas lhe procura para dizer-lhe que Lily a viu chorando e reclamando que ele estaria pegando pesado, sugerindo que ela se afaste por um, dois dias, ou mesmo um mês. À noite, já em casa, quando se prepara para descansar, Nina é surpreendida quando Lily bate à sua porta. Depois de pedir-lhe desculpas pelo embaraço causado, Lily a convida para saírem juntas. Embora sua mãe seja contra a idéia, Nina termina atendendo ao convite de Lily.

As duas vão a um Bar, onde Lily a dopa, colocando comprimidos em sua bebida. Já de madrugada, ainda sem se sentir completamente lúcida, Nina volta para casa ainda em companhia de Lily. Uma vez lá, as duas vão para o seu quarto onde, depois de se beijarem apaixonadamente, Lily a despe e, rasgando-lhe a calcinha, começa a fazer-lhe sexo oral.

Na manhã seguinte, ao acordar com uma dor de cabeça de ressaca, Nina não encontra Lily e percebe que se acha atrasada para o ensaio. Ao chegar ao estúdio, encontra Lily dançando com o resto do grupo, fazendo o seu papel e usando os seus trajes. No intervalo, ao ser questionada por Nina, Lily lhe diz que não esteve com ela em seu quarto, que passou a noite com Tom e que a última vez que a viu foi no Bar. Envergonhada, Nina se afasta sem saber se dormiu ou não com Lily.

Ao tomar conhecimento que Thomas colocou Lily como sua substituta, Nina o procura para pedir-lhe que não o faça, convencida de que Lily está tentando roubar o seu papel. Thomas lhe fala da necessidade de se ter uma substituta, lhe adverte que ela está ficando paranóica e lhe diz que a única pessoa a tentar sabotar Nina é ela própria. Naquela noite, após praticar sua dança com o pianista, ela ouve uns risos e, ao seguir o barulho, encontra Thomas fazendo sexo com Lily em cima de uma mesa de trabalho. Seus olhos enchem-se de lágrimas e ela corre para seu camarim.

Ao acordar no dia seguinte, Nina pergunta à mãe por que suas mãos acham-se cobertas. Esta lhe responde que é para evitar arranhões que ela vem fazendo em suas costas. De repente, a jovem percebe que está mais uma vez atrasada para o balé. Ao vê-la furiosa, sua mãe lhe diz que já avisou Thomas que ela não se acha bem e que não poderá ir dançar. Sem ouvir a mãe, ela bate a porta e segue para o teatro. Ao chegar lá, encontra Lily já vestida a conversar com Thomas, pronta para entrar no palco em seu lugar. Nina diz a ele que está preparada para a estréia daquela noite e se dirige ao seu camarim. Thomas a segue e lhe comunica que já instruiu Lily para ser a estrela da noite. Em resposta, ela lhe diz que se não entrar no palco, a Companhia vai ficar marcada pela polêmica, depois do incidente com Beth. Impressionado com sua audácia, Thomas lhe pede para se preparar.

Nina finalmente entra no palco e se mostra tão rígida e tímida como ocorria nos ensaios. Ao ver Lily flertando com um dos bailarinos, ela perde a concentração, o que faz com que o 1º bailarino a largue no centro do palco. No intervalo, ela culpa seu partner e se dirige ao camarim, onde encontra Lily a se maquiar em sua mesa. As duas lutam e, num determinado momento, Nina acredita ter matado sua rival. Assim, esconde o corpo de Lily no banheiro e, em seguida, se prepara para voltar ao palco, agora vestida e maquiada para interpretar o “Cisne Negro”.

Ao voltar ao palco, Nina se mostra outra pessoa, ao dançar com um abandono apaixonado. Tudo que Thomas vinha lhe pedindo nos ensaios, ela passa a exibir, começando a se transformar fisicamente em um cisne negro no palco. Ela dança como nunca e maravilhada, a platéia a aplaude de pé. Nina corre para fora do palco em direção Thomas e, na frente de todos, o beija apaixonadamente, após finalmente seduzi-lo com seus movimentos. No camarim, ao se preparar para o próximo ato, ela recebe a visita de Lily que a felicita pelo seu magistral desempenho. Confusa, ao verificar que não matara sua rival, Nina finalmente descobre que ela é quem se acha ferida no abdômen, de onde retira um caco de vidro. Apesar de estar sangrando, ela se veste para o ato final, como o Cisne Branco.

Este último ato marca definitivamente sua consagração. Na cena final, o Cisne Branco vai para o topo de uma grande estrutura a fim de cometer suicídio, o que faz com muita graça. Uma vez no topo, ela olha para baixo e, em seguida, cai para trás. Quando a cortina desce, Thomas fica radiante e apaixonado por Nina. Sorrindo, ele se ajoelha para felicitá-la, enquanto as bailarinas se reúnem em torno da estrela. Nina não fala, apenas sorri e escuta os elogios. Lily é a primeira a observar a imensa mancha de sangue se formando em seu traje branco. Alguém grita por socorro, enquanto Thomas lhe pergunta o que ela fez. Nina, calma e silenciosamente pronuncia: “Eu estava perfeita”. Enquanto a platéia continua a aplaudi-la e, cercada pelo seu grupo de dança, ela dá seu último suspiro.