El detective Scottie Ferguson (James Stewart) pierde a su único y verdadero amor, Madeleine Elster (Kim Novak), cuando la mujer se suicida. Al parecer saltar de una torre en una misión española.

Un año más tarde, un Scottie crónicamente deprimido conoce a Judy Barton (también Kim Novak), una "gemela" de Madeline.

Cuando ve a Judy usando un collar que a Madeleine le gustaba, se da cuenta de que algo ocurre. Lleva a la reticente Judy de vuelta a la escena del "suicidio" para obligarla a decir la verdad.

Revela que Scottie nunca conoció a la verdadera Madeleine, y que ella (Judy) era un doble que Gavin Elster contrató para convencer a Scottie de que Madeleine se había suicidado, para que cuando la asesinara, no hubiera sospechas.

Sin embargo, tan pronto como Judy confiesa, se asusta de una figura oscura y sombría (una monja), e intenta huir, cayendo de la torre y corriendo el mismo destino que Madeleine.