Un psiquiatra, el Dr. Hill (Whit Bissell), es llamado a la sala de emergencias de un hospital del condado de Los Ángeles, California, donde un hombre muy agitado está detenido. El Dr. Hill accede a escuchar su historia. El hombre se identifica como médico y relata, en forma de flashback, los acontecimientos que condujeron a su detención y a su llegada al hospital.

En el cercano pueblo de Santa Mira, el Dr. Miles Bennell (Kevin McCarthy) atiende a varios pacientes que aparentemente sufren el delirio de Capgras, la creencia de que sus familiares han sido sustituidos de alguna manera por impostores de aspecto idéntico.

Al volver de un viaje, Miles se encuentra con su antigua novia, Becky Driscoll (Dana Wynter), que ha vuelto recientemente a la ciudad tras un divorcio. La prima de Becky, Wilma (Virginia Christine), expresa el mismo temor sobre su tío Ira, con quien vive. El psiquiatra Dr. Dan Kauffman (Larry Gates) asegura a Bennell que estos casos no son más que una "epidemia de histeria colectiva".

Esa noche, Miles y Becky son llamados urgentemente a la casa de un amigo de Bennell, Jack Belicec (King Donovan), que ha encontrado lo que parece ser un cadáver en su casa. Inexplicablemente, el cuerpo no tiene rasgos faciales ni huellas dactilares discernibles pero, para su horror, en poco tiempo comienza a adoptar los rasgos físicos exactos de Belicec. Más tarde, se encuentra otro cuerpo en el sótano de Becky que es su duplicado exacto. Cuando Bennell llama al Dr. Kauffman al lugar de los hechos, los cuerpos han desaparecido misteriosamente, y Kauffman le dice a Bennell que está cayendo en la misma histeria.

La noche siguiente, Bennell, Becky, Jack y Teddy (Carolyn Jones), la esposa de Jack, vuelven a encontrar duplicados de sí mismos, que emergen de vainas de semillas gigantes en el invernadero de Bennell. Llegan a la conclusión de que los habitantes del pueblo están siendo sustituidos mientras duermen por copias físicas exactas. Bennell intenta hacer una llamada de larga distancia a las autoridades federales para pedir ayuda, pero la operadora telefónica afirma que las líneas de larga distancia están todas ocupadas y la llamada no se puede realizar, por lo que Jack y Teddy se marchan a buscar ayuda en el siguiente pueblo. Bennell y Becky pronto se dan cuenta de que todos los habitantes del pueblo han sido sustituidos y carecen de cualquier tipo de humanidad. Se esconden en la oficina de Bennell para pasar la noche, prometiendo permanecer despiertos para no ser reemplazados por sus duplicados.

A la mañana siguiente, Bennell y Becky observan desde la ventana de la oficina cómo llegan al centro de la ciudad camiones cargados con las vainas gigantes. Escuchan cómo el jefe de policía Nick Grivett (Ralph Dumke) ordena a los demás que las lleven a los pueblos vecinos para plantarlas y utilizarlas para reemplazar sus poblaciones. Kauffman y Belicec, que ahora también son "gente de vaina", llegan a la oficina de Bennell con nuevas vainas para Becky y Bennell. Revelan que una forma de vida extraterrestre es la responsable de la invasión y que las vainas, capaces de replicar cualquier forma de vida, viajaron por el espacio y aterrizaron en un campo. Después de su toma de posesión, explica Kauffman, la humanidad perderá todas las emociones y el sentido de la individualidad, creando un mundo superior simplista y sin estrés.

Después de enfrentarse a los alienígenas (Kauffman, Belicec y Grivett) y dejarlos fuera de combate, Bennell y Becky escapan de la oficina. Fuera de la oficina, fingen ser personas de la vaina sin emociones, pero Becky grita cuando ve a un perro lanzarse al tráfico, y su reacción pone de manifiesto su humanidad. Suena la alarma de la ciudad y la pareja huye a pie, perseguida por una multitud de personas de la vaina.

Agotados, consiguen escapar y esconderse en una mina abandonada a las afueras de la ciudad, luchando por mantenerse despiertos para que sus cuerpos no sean tomados. Más tarde, oyen música y Bennell deja a Becky brevemente para investigar. Sobre una colina, ve una gran granja de invernaderos con cientos de vainas de semillas gigantes que se cargan en camiones. Bennell vuelve para decírselo a Becky y, al besarla, se da cuenta, para su horror, de que ella se ha quedado dormida antes de que él volviera y ahora es uno de ellos. Becky da la alarma mientras Bennell huye. De nuevo es perseguido por la mafia, y finalmente se encuentra en una autopista llena de gente. Después de ver un camión de transporte con destino a San Francisco y Los Ángeles lleno de vainas, grita frenéticamente a los automovilistas que pasan: "¡Ya están aquí! ¡Ustedes son los siguientes! Tú eres el siguiente".

El flashback termina con Bennell terminando su historia en el hospital. El Dr. Hill y el médico de guardia salen de la habitación, este último expresando su certeza de que Bennell es un psicótico. Justo en ese momento, un camionero es trasladado al vestíbulo en una camilla tras haber resultado gravemente herido en un accidente. El camillero les dice a los médicos que el hombre tuvo que ser sacado de debajo de una carga de vainas gigantes procedentes de Santa Mira. Creyendo finalmente la historia de Bennell, el Dr. Hill avisa a la policía para que bloquee las carreteras de entrada y salida de Santa Mira; la película termina con Bennell aliviado mientras Hill llama a la Oficina Federal de Investigación.