El primer tercio de la película se narra desde la perspectiva en primera persona del protagonista, Jean-Dominique Bauby (Mathieu Amalric), o Jean-Do, como le llaman sus amigos. La película comienza cuando Bauby despierta de su coma de tres semanas en un hospital de Berck-sur-Mer, Francia. Tras un análisis inicial demasiado optimista por parte de un médico, un neurólogo le explica que padece el síndrome de enclaustramiento, una enfermedad extremadamente rara en la que el paciente está casi completamente paralizado físicamente, pero sigue siendo mentalmente normal. Al principio, el espectador escucha sobre todo los "pensamientos" de Bauby (cree que está hablando pero nadie le oye), que son inaccesibles para los demás personajes (que se ven a través de su único ojo funcional).

Un logopeda y un fisioterapeuta intentan ayudar a Bauby a ser lo más funcional posible. Bauby no puede hablar, pero desarrolla un sistema de comunicación con su logopeda parpadeando el ojo izquierdo mientras ella lee una lista de letras para deletrear laboriosamente sus mensajes, letra a letra.

Poco a poco, el punto de vista restringido de la película se amplía y el espectador comienza a ver a Bauby desde "fuera", además de experimentar incidentes de su pasado, incluida una visita a Lourdes. También fantasea, imaginando playas, montañas, la emperatriz Eugenia y una fiesta erótica con una de sus transcriptoras. Se revela que Bauby había sido editor de la popular revista de moda francesa Elle, y que tenía un acuerdo para escribir un libro (que originalmente iba a estar basado en El Conde de Montecristo pero desde una perspectiva femenina). Decide que seguirá escribiendo un libro, utilizando su lenta y agotadora técnica de comunicación. Trae a una mujer de la editorial con la que Bauby tenía el contrato del libro original para que le tome el dictado.

El nuevo libro explica cómo es ahora él, atrapado en su cuerpo, que él ve como si estuviera dentro de una anticuada escafandra con casco de latón, que se llama scaphandre en francés, como en el título original. Otros ven su espíritu, aún vivo, como una "mariposa".

La historia de la escritura de Bauby se yuxtapone con sus recuerdos y remordimientos hasta su apoplejía. Vemos a sus tres hijos, su madre (con la que nunca se casó), su amante, sus amigos y su padre. Se encuentra con personas de su pasado cuyas vidas guardan similitudes con su propia "trampa": un amigo que fue secuestrado en Beirut y mantenido en confinamiento solitario durante cuatro años, y su propio padre de 92 años, que está confinado en su propio apartamento, porque es demasiado frágil para bajar cuatro tramos de escaleras.

Bauby termina finalmente sus memorias y escucha las respuestas de los críticos. Muere de neumonía diez días después de su publicación. Los créditos finales están acentuados por tomas invertidas de la rotura del hielo del glaciar (las versiones adelantadas se utilizan en los créditos iniciales), acompañadas por la canción de Joe Strummer & the Mescaleros "Ramshackle Day Parade".