La joven estudiante de violonchelo Ariane Chavasse escucha a escondidas una conversación entre su padre, Claude Chavasse, un detective privado viudo especializado en seguir la pista de cónyuges infieles, y su cliente, "Monsieur X". Después de que Claude entregue a su cliente pruebas de las citas diarias de su esposa con el magnate americano Frank Flannagan en la habitación 14 del Ritz de París, Monsieur X anuncia que esa misma noche disparará a Flannagan. Claude se muestra indiferente, lamentando únicamente el negocio que perderá, ya que Flannagan es un conocido playboy internacional con un largo historial de aventuras casuales. Cuando Ariane no consigue que el Ritz la ponga en contacto con Flannagan por teléfono y la policía se niega a intervenir hasta después de que se haya cometido el crimen, decide avisarle ella misma.

Ariane llega a tiempo. Cuando Monsieur X irrumpe en la suite del hotel de Flannagan, encuentra a éste con Ariane, no a su esposa, que escapa cautelosamente por una cornisa exterior. Flannagan se siente intrigado por la misteriosa chica, que se niega a darle ninguna información sobre sí misma, ni siquiera su nombre. Él empieza a adivinar su nombre por la inicial "A" de su bolso y, cuando ella se niega a decírselo, recurre a llamarla "chica delgada". Ella no tiene ninguna historia romántica, pero finge ser una mujer fatal para interesarle, y pronto se enamora del hombre, bastante mayor que ella. Ella acepta encontrarse con él la tarde siguiente, ocultándole que tiene ensayo orquestal por las noches. Acude con sentimientos encontrados, pero pasa la tarde mientras espera a que él se marche al aeropuerto.

El padre de Ariane, que ha intentado infructuosamente protegerla para que no se entere de los detalles chabacanos de vigilancia doméstica que hay en sus archivos, se da cuenta de su cambio de humor, pero no tiene ni idea de que procede de uno de sus casos.

Un año después, Flannagan regresa a París y al Ritz. Ariane, que ha seguido la pista de las hazañas mujeriegas de Flannagan a través de los medios de comunicación, se reencuentra con él cuando lo ve en una ópera mientras observa a la multitud desde un balcón. Se pone en su camino en el vestíbulo y vuelven a verse. Esta vez, cuando él insiste en su interrogatorio, ella inventa una larga lista de amantes imaginarios anteriores basándose en los archivos de su padre, y más tarde le dice a Flannagan que él es su vigésimo amante. Flannagan pasa gradualmente de divertirse a sentirse celosamente atormentado por las posibles comparaciones, pero no está seguro de que sean reales. Cuando se encuentra con un Monsieur X que sigue sin disculparse, éste le recomienda a Claude, y así Flannagan contrata al propio padre de Ariane para que investigue.

Claude no tarda en darse cuenta de que la mujer misteriosa es Ariane. Va al Ritz, le dice a Flannagan su nombre de pila, informa a su cliente de que la chica se inventó su vida amorosa y, finalmente, le dice que Ariane es su hija. Le dice a Flannagan que ella es un "pececito" que él debería echar para atrás, ya que ella va en serio y él quiere evitar las relaciones serias.

Esa tarde, cuando Ariane acude a su suite del hotel, Flannagan se apresura a hacer las maletas para marcharse de París, fingiendo que se dirige a Cannes para encontrarse con "dos locas gemelas suecas". En la estación de tren, ambos siguen actuando como si no se importaran mucho el uno al otro, aunque Ariane derrama algunas lágrimas que achaca al hollín. Cuando sale el tren, Ariane corre por el andén y le dice a Flannagan, que está en la puerta del vagón, que pronto viajará con sus muchos amantes. Corre cada vez más deprisa a medida que el tren acelera, su fachada de mujer fatal se resquebraja, repite frenéticamente "Estaré bien, estaré bien", y su amor se hace patente. Flannagan cambia de opinión, la sube en brazos al vagón y, antes de besarla, la llama por su nombre, Ariane.

En la voz en off, Claude nos informa de que la pareja se casó en Cannes y ahora viven juntos en Nueva York.