Marion Holland huye con casi 10.000 dólares que robó de la caja fuerte de su jefe, Sidney Strutt, director de una empresa de asesoría fiscal, a quien engatusó para que la contratara sin referencias. Cambiando su apariencia e identidad, Marian, cuyo verdadero nombre es Margaret "Marnie" Edgar, viaja a Virginia, donde estabula un caballo llamado Forio. Después visita en Baltimore a su madre inválida, Bernice, a la que mantiene económicamente.

Mark Rutland, un viudo rico propietario de una editorial en Filadelfia, se reúne con Strutt por negocios. Se entera del robo y recuerda a Marnie de una visita anterior. Unos meses más tarde, Marnie, haciéndose pasar por Mary Taylor, solicita un trabajo en la empresa de Mark. Mark la contrata tras reconocerla. Mientras hace horas extras los fines de semana con Mark, Marnie sufre un ataque de pánico durante una tormenta eléctrica. Mark la consuela y la besa. Comienzan a salir. Marnie sufre pesadillas y el color rojo puede desencadenar una reacción emocional extrema.

Poco después, Marnie roba dinero de la empresa de Mark y huye de nuevo. Mark la sigue hasta el establo donde tiene a Forio. La chantajea para que se case con él, para disgusto de Lil, la hermana de la difunta esposa de Mark, que está enamorada de él. Lil empieza a sospechar cuando descubre que Mark ha gastado una suma considerable desde que se casó con Marnie.

En su crucero de luna de miel, Marnie se resiste al deseo de Mark de intimidad física. A la mañana siguiente, Marnie intenta ahogarse en la piscina del barco, pero Mark la salva.

Tras escuchar a Marnie en una llamada telefónica, Lil informa a Mark de que la madre de Marnie no está muerta, como Marnie afirmaba. Mark contrata a un detective privado para que investigue. Mientras tanto, Lil escucha a Mark diciéndole a Marnie que ha "sobornado a Strutt" en su nombre. Lil invita pícaramente a Strutt y a su mujer a una fiesta en la mansión Rutland. Strutt reconoce a Marnie, pero Mark le presiona para que no haga nada. Cuando más tarde Marnie admite haber cometido más robos, Mark trabaja para que sus víctimas retiren los cargos.

Mark lleva a Forio a su finca, complaciendo a Marnie. Durante una cacería de zorros, un abrigo rojo de montar desencadena otro de los ataques de Marnie y Forio sale disparado, falla un salto, se lesiona las patas y queda tendido en el suelo gritando de dolor. Marnie corre frenéticamente a una casa cercana, consigue una pistola y dispara a su caballo. Loca de dolor, Marnie vuelve a casa, donde encuentra la llave del despacho de Mark. Va a la oficina y abre la caja fuerte, pero se ve incapaz de coger el dinero, incluso después de que Mark llegue y la "inste" a cogerlo.

Mark lleva a Marnie a Baltimore para enfrentarse a su madre y sonsacarle la verdad sobre el pasado de Marnie. Llegan en medio de una tormenta. Al revelarse que Berenice era prostituta, resurgen recuerdos largamente reprimidos por Marnie: cuando era pequeña, uno de los clientes de Berenice intentó calmar a una asustada Marnie durante una tormenta. Al verle tocar a Marnie y creer que intentaba abusar de ella, Berenice le atacó. Cuando el hombre se defendió de ella, se cayó y se lesionó una pierna, quedando discapacitada. Marnie, asustada e intentando proteger a su madre, golpeó mortalmente al hombre en la cabeza con un atizador de chimenea. La visión de su sangre provocó su odio al color rojo, la tormenta de esa noche provocó su miedo a ellos, y la conexión de la noche mortal con el sexo provocó su repulsión a la intimidad física. Después, Bernice dijo a la policía que había matado al hombre y rezó para que Marnie olvidara el suceso. Comprendiendo la razón de su comportamiento, Marnie pide ayuda a Mark. Se marchan abrazándose estrechamente.