A mediados de la década de 1950, mientras se recupera de una fractura en la pierna, el fotógrafo profesional L. B. "Jeff" Jefferies está confinado a una silla de ruedas en su apartamento de Greenwich Village, Manhattan. Su ventana trasera da a un patio y a otros apartamentos. Durante una intensa ola de calor, observa a sus vecinos, que mantienen las ventanas abiertas para mantenerse frescos. Son una mujer solitaria a la que Jeff apoda "Miss Lonelyhearts", una pareja de recién casados, un pianista, una guapa bailarina apodada "Miss Torso", una pareja de mediana edad a cuyo pequeño perro le gusta cavar en el jardín de flores, y Lars Thorwald, un vendedor ambulante de bisutería con una esposa postrada en cama.

Jeff recibe regularmente la visita de Lisa Fremont, su novia de la alta sociedad, y de una enfermera llamada Stella. Una noche, tras una discusión con Lisa, Jeff se queda solo en su apartamento y oye a una mujer gritar "¡No!" y el sonido de cristales rompiéndose. Esa misma noche, durante una tormenta, observa a Thorwald haciendo repetidos viajes nocturnos cargado con una maleta. Más tarde, después de que Jeff se duerma, Thorwald sale de su apartamento junto con una mujer. A la mañana siguiente, Jeff se da cuenta de que la mujer de Thorwald no está y le ve limpiando un gran cuchillo y una sierra de mano. Thorwald también hace que unos hombres de la mudanza se lleven un gran baúl. Jeff se convence de que Thorwald ha asesinado a su mujer y se lo cuenta a Lisa y Stella, que le creen cuando observan que Thorwald actúa de forma sospechosa. Jeff llama a su amigo y compañero de guerra Tom Doyle, detective de la policía de Nueva York, y le pide que investigue a Thorwald. Doyle no encuentra nada sospechoso: aparentemente, la Sra. Thorwald está en el norte del estado.

Poco después, el perro del vecino aparece muerto. La angustiada dueña grita y todos corren a sus ventanas excepto Thorwald, que permanece sentado tranquilamente en su oscuro apartamento fumando un puro. Seguro de que Thorwald ha matado al perro, Jeff le telefonea para que se aleje y Stella y Lisa puedan investigar. Cree que Thorwald enterró algo en el parterre y mató al perro porque estaba escarbando en él. Cuando Thorwald se marcha, Lisa y Stella desentierran las flores, pero no encuentran nada.

Ante el asombro y la admiración de Jeff, Lisa sube por la escalera de incendios hasta el apartamento de Thorwald y se cuela por una ventana abierta. Jeff y Stella se distraen cuando ven a la Srta. Corazón Solitario sacar unas pastillas y escribir una nota, dándose cuenta de que va a intentar suicidarse. Llaman a la policía pero antes de que puedan denunciarlo, Miss Lonelyhearts se detiene, abriendo la ventana para escuchar la música del pianista. Thorwald regresa y se enfrenta a Lisa, y Jeff se da cuenta de que Thorwald va a matarla. Llama a la policía e informa de una agresión en curso. La policía llega y detiene a Lisa cuando Thorwald indica que ha entrado a robar en su apartamento. Jeff ve a Lisa señalando tímidamente su dedo con el anillo de boda de la Sra. Thorwald. Thorwald también lo ve y, al darse cuenta de que está haciendo señas a alguien, localiza a Jeff al otro lado del patio.

Jeff llama a Doyle y le deja un mensaje urgente mientras Stella va a pagar la fianza de Lisa. Cuando suena el teléfono, Jeff supone que es Doyle y le dice que el sospechoso se ha ido. Cuando nadie contesta, sospecha que es Thorwald. Thorwald entra en el oscuro apartamento de Jeff y éste enciende una serie de flashes de la cámara para cegarle temporalmente. Thorwald empuja a Jeff por la ventana y Jeff, colgando, grita pidiendo ayuda. La policía entra en el apartamento, Jeff cae y los agentes que se encuentran en el suelo frenan su caída. Thorwald confiesa a la policía que ha asesinado a su mujer.

Unos días después, la normalidad vuelve al barrio. La pareja cuyo perro fue asesinado tiene un nuevo cachorro, los recién casados tienen su primera discusión, el novio de la señorita Torso regresa del ejército, la señorita Lonelyhearts empieza a salir con el pianista y el apartamento de Thorwald está siendo reformado. Jeff descansa en su silla de ruedas, ahora con escayolas en ambas piernas. A su lado, Lisa lee un libro titulado "Más allá del Alto Himalaya". Tras comprobar que Jeff duerme, Lisa abre alegremente una revista de moda.