O Det. John 'Scottie' Ferguson retira-se da polícia  após ter visto um colega morrer, sem poder fazer nada.  Scottie sofre de acrofobia (medo de altura), e o fato de estar num telhado na hora do acidente o impediu de salvar seu amigo.

Um dia, ainda se recuperando física e psicologicamente do ocorrido, ele comenta com Midge, uma designer na área de propaganda e sua grande amiga, que recebera uma mensagem telefônica de um velho amigo de colégio, Gavin Elster, hoje um magnata da indústria naval, propondo um encontro.

Ao se reunir com Gavin, este o contrata, como detetive particular, para vigiar sua esposa, Madeleine, que parece estar perturbada, com tendências suicidas e com fixação por Carlotta Valdes, uma mulher que viveu no século passado.

Um dia, ao seguir Madeleine, ele vai ter à margem da Baía de São Francisco, junto à Ponte Golden Gate.  Após jogar pétalas de flores na Baía, Madeleine se atira nas águas escuras do local, o que obriga Scottie a mergulhar para salvá-la do iminente afogamento.  Como ela se acha inconsciente, ele a leva até seu apartamento.  Lá, após recuperar-se, ela lhe agradece, ao mesmo tempo em que os dois se sentem mutuamente fascinados um pelo outro.

À medida que os dias passam, eles se vêem cada vez mais freqüentemente.  Num de seus encontros, ela lhe conta que tem tido uns sonhos estranhos, passados sempre na torre do sino de uma antiga vila espanhola.  Pela descrição, Scottie reconhece o local como sendo a Missão Espanhola de São João Batista, situada a cerca de 150 km ao sul de São Francisco.  Na esperança de vê-la curada de seus medos e pesadelos, ele lhe propõe irem no dia seguinte até a referida Missão.

Uma vez lá, Madeleine corre para a torre e começa a subir pela escada de madeira.  Scottie corre atrás mas, antes de alcançá-la, sente-se mal face à sua fobia por altura.  É quando ele vê, através de uma das janelas da torre, a queda do corpo de Madeleine para a morte.

Acometido de uma crise nervosa, Scottie é internado num hospital psiquiátrico para tratamento.  Ao receber alta, ele passa a revisitar os lugares onde Madeleine costumava ir.  Um dia, ao entrar numa floricultura, ele vê na calçada uma loura extremamente parecida com Madeleine.  Ele a segue até seu apartamento, onde descobre tratar-se de Judy Barton, uma jovem vinda do Kansas e que trabalha como vendedora na Magnin's.

Ao sair, ele a convida para jantar.  Em seguida, ela relembra toda a sua participação no plano de Gavin para assassinar a mulher, quando foi 'contratada' para se fazer passar por Madeleine, enquanto esta seria jogada do alto da torre pelo marido.  Decide, então, escrever uma carta para Scottie, contando toda a verdade mas, ao final, a corta em pedaços.  Na referida carta, ela dizia que o único erro do plano foi o fato dela ter-se apaixonado por ele.

Conforme combinado, ela janta com Scottie.  Este termina se apaixonando por ela, que espera que sua paixão seja por ela, Judy, e não por 'Madeleine'.  Entretanto, ele passa a fazer com que ela se vista e se penteie como o fazia 'Madeleine'.  Apaixonada, ela assume os modos, expressões e movimentos de 'Madeleine' como forma de agradá-lo.

Quando ela o pede para ajudá-la com um colar, ele finalmente percebe que Judy e 'Madeleine' são a mesma pessoa e que fora enganado por Elster.  Ele, então, a convida para jantarem na Península.  Assim, ele a leva até a Missão Espanhola de São João Batista.  Ela sente que a confrontação com a verdade é inevitável.

Ao chegarem lá, ele a pede que seja 'Madeleine' por alguns momentos, a fim de que ambos se livrem de seus medos e angústias.  Ela se nega a fazê-lo, mas ele a força a subir a escada que leva ao topo da torre, numa tentativa de reconstituir as cenas que levaram ao assassinato da verdadeira Madeleine.

Na subida, Scottie percebe que ficou curado de sua acrofobia.  Experimentando sentimentos fortes de amor e ódio, ele não resiste quando ela insiste que o ama e os dois terminam abraçados e aos beijos.

De repente, ouvem-se passos.  Aterrorizada, pensando tratar-se do fantasma de Madeleine, Judy recua, perde o equilíbrio e cai do alto da torre para a morte, assim como ocorrera com a mulher a quem substituíra anteriormente.  Scottie, embora curado do medo de alturas, sai completamente destruído por mais esta desilusão.