John Ferguson (James Stewart), surnommé « Scottie », est pris de vertige tandis qu’il poursuit un malfaiteur avec un collègue policier. L’incident vaut la mort de ce dernier et la démission de Ferguson des services de police. Peu après, une ancienne connaissance de Scottie le contacte afin de lui demander de suivre sa femme, Madeleine Elster (Kim Novak), qui semble hantée par l’esprit d’une morte, en l’occurrence sa grand-mère, qui se suicida après avoir sombré dans la folie. Scottie s'éprend de la jeune femme et se trouve ballotté par des événements qu'il ne peut contrôler.
