En un convento católico romano de Montreal (Quebec, Canadá), durante las oraciones vespertinas, las monjas oyen gritos procedentes de la habitación de la hermana Agnes, una joven novicia. Encuentran a Agnes en su habitación sangrando profusamente y, en una cesta, la madre superiora Miriam encuentra un bebé muerto.

La hermana Agnes es sospechosa de haber matado al bebé, por lo que un tribunal encarga a la psiquiatra Martha Livingston que determine si es competente para ser juzgada. En una entrevista, Agnes afirma que no recuerda haber estado embarazada ni haber dado a luz, y muestra una falta de comprensión sobre cómo se conciben los bebés. La madre Miriam le dice a Livingston que Agnes es una "inocente" a la que su madre mantuvo en casa y que no sabe nada del mundo. Está desesperada por mantener la ingenuidad de Agnes y declara que no podría haber sabido lo que era un embarazo ni recordar al padre.

La madre Miriam le cuenta a Livingston la vez que Agnes dejó de comer creyendo que estaba engordando, y luego exhibió estigmas en la mano que se curaron solos en un día. Agnes le cuenta a Livingston su amistad con la hermana Marie-Paul, la monja más anciana, que le mostró un "lugar secreto", un campanario, que luego le enseña a Livingston. Discuten sobre la madre y el nacimiento de Agnes, y sobre cuánto sabe Agnes sobre sexo y embarazo.

La madre Miriam le dice a Livingston que Agnes debió concebir el 23 de enero, porque esa es la noche en que Agnes quemó sus sábanas confesando que estaban "manchadas". Mientras recorre los terrenos del convento, Livingston se topa con un granero. Ella y un joven monseñor discuten sobre si su falta de fe la incapacitará para tratar a Agnes con dignidad. Livingston se entera de que la madre de Agnes la maltrataba verbal y sexualmente, diciéndole que era un "error"; y de que Agnes es sobrina de la Madre Miriam.

Livingston recibe permiso del tribunal para hipnotizar a Agnes, pero Madre Miriam se opone firmemente, creyendo que la despojará de su inocencia. Mientras está hipnotizada, Agnes admite que dio a luz y que otra mujer del convento sabía que estaba embarazada, pero no revela quién. Livingston descubre que una sala de trabajo del convento tiene una escalera oculta que conduce a un túnel que lleva al granero (un historiador explica que muchos conventos antiguos tienen túneles "secretos", para permitir a las monjas moverse entre los edificios durante el invierno). La madre Miriam intenta que Livingston sea apartada del caso, pero apela a las autoridades judiciales y es retenida.

Livingston recibe permiso del tribunal para hipnotizar a Agnes, pero la madre Miriam se opone rotundamente, pues cree que la despojará de su inocencia. Mientras está hipnotizada, Agnes admite que dio a luz y que otra mujer del convento sabía que estaba embarazada, pero no revela quién. Livingston descubre que una sala de trabajo del convento tiene una escalera oculta que conduce a un túnel que lleva al granero (un historiador explica que muchos conventos antiguos tienen túneles "secretos", para permitir a las monjas moverse entre los edificios durante el invierno). La madre Miriam intenta que Livingston sea apartada del caso, pero apela a las autoridades judiciales y es retenida.

Livingston obtiene una segunda orden judicial para volver a someter a Agnes a hipnosis. La madre Miriam admite que sabía que Agnes estaba embarazada y que puso la papelera en su habitación, pero niega haber matado al bebé. Bajo hipnosis, Agnes revela que la noche en que murió la hermana Marie-Paul, ella le dijo a Agnes que había visto a "Él" desde el campanario y le indicó a Agnes que se reuniera con "Él" en el granero. Durante el interrogatorio, parece describir un encuentro con una presencia real, humana o divina. De repente, Agnes muestra estigmas en las manos y comienza a sangrar profusamente. Agnes declara que "Él" la violó y que odia a Dios por ello. Admite que la madre Miriam estaba presente cuando nació el bebé, pero que se marchó brevemente; entonces Agnes mató al niño creyendo que, como ella, el bebé era un "error".

Agnes es declarada inocente por demencia y devuelta al convento, donde un médico puede "visitarla" periódicamente. Le cuenta al juez que escuchó a "Él" cantar bajo la ventana de su habitación durante seis noches seguidas, y que la séptima noche se tumbó encima de ella, dando a entender que podría haber sido violada y embarazada por un intruso.