El detective del Departamento de Policía de Nueva York, Mark McPherson, investiga el asesinato de una joven, bella y exitosa ejecutiva de publicidad, Laura Hunt, asesinada de un disparo de escopeta en la cara justo en la puerta de su apartamento.

Primero entrevista al carismático columnista de un periódico, Waldo Lydecker, un hombre mayor, imperioso y afeminado, que le cuenta cómo conoció a Laura y se convirtió en su mentor. Ella se convirtió en su amiga platónica y en su compañera constante y, deseando más, utilizó su considerable fama, influencia y conexiones para hacer avanzar su carrera.

McPherson también cuestiona al parasitario prometido de Laura, Shelby Carpenter, un "mantenido" atado a su rica tía de la alta sociedad, Ann Treadwell. Treadwell tolera el enamoramiento de su sobrino con Hunt, aparentemente por su aceptación práctica de la necesidad de Carpenter de recibir el afecto de una mujer más cercana a su edad.

Bessie Clary, la leal y angustiada ama de llaves de Laura, también es interrogada por McPherson.

A través del testimonio de los amigos de Laura y de la lectura de sus cartas y su diario, McPherson se obsesiona con ella, hasta el punto de que Lydecker acaba acusándole de haberse enamorado de la muerta. También se entera de que Lydecker estaba celoso de los pretendientes de Laura, utilizando su columna en el periódico y su influencia para mantenerlos a raya.

Una noche, el detective se queda dormido en el apartamento de Laura frente a su retrato. Le despierta una mujer que entra con su propia llave, y se sorprende de que sea Laura. Encuentra en su armario un vestido que había pertenecido a una de sus modelos, Diane Redfern. McPherson llega a la conclusión de que el cuerpo que se suponía era el de Laura era en realidad el de Redfern, atraído por Carpenter para un enlace mientras Laura estaba fuera del país. Ahora, con Laura aún viva, desenmascarar al asesino se vuelve aún más urgente.

En una fiesta para celebrar el regreso de Laura, McPherson detiene a Laura por el asesinato de Redfern. Al interrogarla, se convence de que es inocente y de que no ama a Carpenter. Va a registrar el apartamento de Lydecker, donde sospecha de un reloj idéntico al del apartamento de Laura. Al examinarlo más de cerca, descubre que tiene un compartimento secreto.

McPherson vuelve al apartamento de Laura. Lydecker está allí y se da cuenta del creciente vínculo entre Laura y el detective. Lydecker insulta a McPherson y es despedido por Laura, pero se detiene en la escalera exterior. McPherson examina el reloj de Laura y encuentra la escopeta que mató a Diane, pero la deja allí. Laura se enfrenta a la verdad de que Lydecker es el asesino.

McPherson y Laura se besan y luego él la encierra en su apartamento, advirtiéndole que no admita a nadie. Cuando se va, Lydecker, que se había colado, recupera la escopeta, sale de otra habitación e intenta matar a Laura, diciendo que si él no puede tenerla nadie podrá. Ella desvía su disparo y huye justo cuando llega McPherson, y Lydecker es abatido por el sargento de McPherson. Las últimas palabras de Waldo son: "Adiós, Laura. Adiós, mi amor".