En una mansión de Sunset Boulevard, un grupo de policías y fotógrafos descubre el cuerpo de Joe Gillis, flotando boca abajo en la piscina. En un flashback, Joe relata los acontecimientos que le llevaron a la muerte.

Seis meses antes, Joe era un guionista sin suerte que intentaba interesar a Paramount Pictures en una historia que había presentado. La lectora de guiones Betty Schaefer lo critica duramente, sin saber que Joe está escuchando. Más tarde, mientras huye de unos embargadores que buscan su coche, Joe entra en la entrada de una mansión aparentemente desierta habitada por la olvidada estrella del cine mudo Norma Desmond. Al saber que Joe es escritor, Norma le pide su opinión sobre un guión que ha escrito para una película sobre Salomé. Ella misma planea interpretar el papel en su regreso a la pantalla. Joe considera que su guión es pésimo, pero la halaga para que lo contrate como médico de guiones.

Trasladado a la mansión de Norma por insistencia de ésta, Joe ve que Norma se niega a aceptar que su fama se ha evaporado, y se entera de que su mayordomo Max escribe en secreto las cartas de los admiradores que recibe. En su fiesta de Nochevieja, se da cuenta de que ella se ha enamorado de él. Joe intenta decepcionarla con delicadeza, pero Norma le abofetea y se retira a su habitación. Joe visita a su amigo Artie Green y vuelve a encontrarse con Betty, que cree que una escena de uno de los guiones de Joe tiene potencial. Cuando llama a Max para que empaque sus cosas, éste le dice que Norma se ha cortado las muñecas con su navaja. Joe vuelve con Norma y se convierten en amantes.

Norma hace que Max entregue el guión editado de Salomé a su antiguo director Cecil B. DeMille en la Paramount. Comienza a recibir llamadas del ejecutivo de Paramount Gordon Cole, pero se niega a hablar con nadie más que con DeMille. Finalmente, hace que Max los lleve a ella y a Joe a la Paramount en su Isotta Fraschini de 1929. DeMille la recibe afectuosamente y la trata con gran respeto, eludiendo con tacto sus preguntas sobre el guión. Max se entera de que Cole sólo quiere alquilar su inusual coche para una película.

Preparando su imaginado regreso, Norma se somete a rigurosos tratamientos de belleza. Joe trabaja en secreto por las noches en el despacho de Betty, colaborando en un guión original. Su pluriempleo es descubierto por Max, que le revela que fue un respetado director de cine que descubrió a Norma, la convirtió en una estrella y fue su primer marido. Después de que ella se divorciara, él abandonó su carrera para convertirse en su sirviente.

Norma descubre un manuscrito con los nombres de Joe y Betty y llama por teléfono a Betty, insinuando que Joe no es el hombre que parece. Joe, al oírlo, invita a Betty a verlo por sí misma. Cuando ella llega, él finge que está satisfecho siendo un gigoló. Sin embargo, después de que ella se vaya con lágrimas en los ojos, él hace las maletas para volver a su antiguo trabajo en el periódico de Ohio. Le informa sin rodeos a Norma de que no habrá regreso; su correo de fans viene de Max, y ella ha sido olvidada. No tiene en cuenta la amenaza de Norma de suicidarse y la pistola que le muestra para respaldarla. Cuando Joe sale de la casa, Norma le dispara tres veces y él cae en la piscina.

El flashback termina. La casa está llena de policías y periodistas. Norma, que ha perdido el contacto con la realidad y con su detención, cree que las cámaras de los noticiarios están allí para filmar a Salomé. Max y la policía le siguen el juego. Max prepara una escena para ella y grita: "¡Acción!". Mientras las cámaras ruedan, Norma desciende por su gran escalera y pronuncia un discurso improvisado sobre lo feliz que está de volver a hacer una película, que termina con la icónica frase de la película: "Muy bien, Sr. DeMille, estoy lista para mi primer plano".