La mundialmente famosa cantante de ópera Alice Alquist acaba de ser asesinada en su casa, el número 9 de Thornton Square, en Londres. El autor del crimen deja las valiosas joyas por las que la mató después de que la sobrina de Alice, Paula, de catorce años, le interrumpa. Alice había criado a Paula tras la muerte de su madre. Posteriormente, Paula fue enviada a Italia para formarse como cantante de ópera.

Años más tarde, Paula, ya adulta, conoce a Gregory Anton y se casa con él después de un romance relámpago de dos semanas. Ante la insistencia de Gregory, Paula regresa a Londres, donde no tiene amigos, para vivir en la casa de su tía, que lleva mucho tiempo vacía. Para ayudar a calmar la ansiedad de Paula por el recuerdo del violento asesinato de su tía, Gregory le sugiere que guarde los viejos muebles de Alice en el ático. Dentro de un libro, Paula descubre una carta dirigida a su tía de un hombre llamado Sergis Bauer. Gregory reacciona de forma extrema al verla leerla. Sin embargo, se disculpa diciendo que su arrebato fue una reacción al ver a Paula afectada por malos recuerdos.

Después de que las pertenencias de Alice sean encerradas en el ático, los acontecimientos se vuelven extraños. En la Torre de Londres, Paula pierde un broche heredado que Gregory le había regalado, a pesar de que estaba guardado en su bolso. Un cuadro desaparece de su lugar en una pared y Gregory dice que Paula lo cogió junto con otros objetos y luego los devolvió. Paula no recuerda haber hecho esto. Paula también escucha pasos provenientes del ático sellado y nota que las luces de gas se atenúan y se iluminan sin razón aparente. Gregory sugiere que es sólo su imaginación.

Gregory aísla gradualmente a su mujer del mundo exterior, alegando que es beneficioso para sus nervios. La acusa de convertirse en cleptómana. También se muestra celoso y acusador cada vez que otros expresan su interés por ella. Cuando Gregory la lleva a una fiesta, le muestra a Paula su cadena de reloj, diciendo que su reloj ha desaparecido misteriosamente. Gregory lo encuentra en su bolso. Paula se pone histérica delante de los invitados y Gregory la lleva a casa. Paula empieza a creer que no debe salir en público. Su joven criada, Nancy, empeora la situación, ya que Paula se convence de que Nancy la detesta. Gregory le dice a Paula que está paranoica y que se imagina el desprecio de la criada, mientras él coquetea en secreto con ella.

Paula no sabe que su marido es en realidad Sergis Bauer, el asesino de su tía. Buscó a Paula en Italia con el objetivo de encontrar las joyas de Alice. Ha estado rebuscando en secreto entre las pertenencias de Alice en el desván para encontrar las joyas que cree que están allí. Los pasos que Paula escuchó en el ático eran los suyos. Las luces de gas parpadeantes que, según él, ella ha imaginado, se deben a que él encendió las luces del ático, reduciendo así el gas de las lámparas de la planta baja. La cleptomanía exhibida por Paula es todo un juego de manos de Sergis.

"Gregory" emplea una astuta estrategia para convencer a su mujer de que se está volviendo loca, con la esperanza de que la internen, dándole a él un poder notarial sobre ella y permitiéndole buscar las joyas sin descanso. El plan casi tiene éxito. Durante un viaje a la Torre de Londres, Paula tiene un encuentro casual con el inspector Brian Cameron, de Scotland Yard, que admiraba a Alice Alquist desde la infancia. Al ver a Paula, que se parece a su tía, se reaviva el interés de Cameron por el caso frío del asesinato de Alice y sus joyas, un regalo real que nunca se encontró. Con la ayuda de un patrullero de la policía, Cameron averigua que "Gregory" se cuela en la casa vacía de al lado y entra en su propio ático a través de una claraboya. Cameron visita a Paula y confirma que, efectivamente, las luces de gas parpadean. Descubren la carta de Bauer que "Gregory" insistía en que era un producto de su imaginación.

Esa misma noche, Sergis descubre por fin las joyas escondidas a la vista, disfrazadas de bisutería. Vuelve a casa y descubre que Paula ha recibido la visita de otro hombre. Aunque sabe que ha sido descubierto, vuelve a confundir a Paula diciéndole que todo está en su imaginación. Sin embargo, Cameron aparece de repente y se enfrenta a Sergis, persiguiéndolo hasta el ático y finalmente arrestándolo. Paula los sigue y, finalmente convencida de su propia cordura, se permite una pequeña venganza. A solas con él, ahora atado a una silla, intenta convencerla de que lo libere para poder escapar. Ella se burla de Sergis, pensando que el cuchillo que tiene en la mano podría no ser real, antes de llamar a Cameron para que se lo lleve. Mientras la policía se lleva a Sergis, Cameron expresa su interés por volver a ver a Paula, insinuando un posible romance.