John 'Scottie' Ferguson, un ancien inspecteur de police sujet au vertige, est engagé par un ami pour surveiller sa femme, Madeleine, qui semble possédée par une force mystérieuse. En la suivant dans les rues de San Francisco, Scottie tombe éperdument amoureux de cette femme fascinante et fragile. Lorsqu'elle se jette du haut d'un clocher, il plonge dans une profonde dépression, hanté par la culpabilité. Quelque temps plus tard, il croise Judy, une femme qui ressemble étrangement à la défunte, et commence une obsessionnelle reconstruction.