En 1938, el vendedor de seguros Walter Neff regresa a su oficina en el centro de Los Ángeles con una herida de bala en el hombro. Graba una confesión en un dictáfono para su amigo y colega, el liquidador de siniestros Barton Keyes. Se produce un flashback.

Walter conoce a la seductora Phyllis Dietrichson durante una visita a domicilio para recordarle a su marido que debe renovar su póliza de seguro de automóvil. Coquetean, hasta que Phyllis le pregunta sobre la compra de una póliza de seguro de accidentes para su marido, sin que él lo sepa. Walter deduce que Phyllis está contemplando un asesinato y, no queriendo saber nada de ello, coge su sombrero y se marcha rápidamente. Más tarde, Phyllis se presenta en el apartamento de Walter y utiliza la excusa de que éste ha olvidado su sombrero para seducirle y asesinar a su marido. El plan consiste en engañar a Dietrichson para que firme lo que él cree que es una renovación. La póliza tiene una cláusula de doble indemnización que paga el doble por una muerte accidental debida a circunstancias raras.

Más tarde, Phyllis lleva a su marido a la estación de tren para asistir a su reunión universitaria. Walter se esconde en el asiento trasero, lo mata y sube al tren haciéndose pasar por el Sr. Dietrichson. Una vez que el tren se pone en marcha, Walter se dirige al andén exterior de la parte trasera, aparentemente para fumar. Se baja en un lugar preestablecido para encontrarse con Phyllis y arrastrar el cuerpo de Dietrichson a las vías.

Norton, el presidente de la empresa, cree que la muerte fue un suicidio, pero Keyes descarta esta teoría. Sin embargo, pronto empieza a tener dudas sobre la legitimidad de la afirmación. Keyes le cuenta a Walter su teoría mientras Phyllis se esconde detrás de la puerta: que hizo que un cómplice asesinara a Dietrichson por el dinero del seguro. Sin embargo, no tiene pruebas.

La hija de la víctima, Lola, le dice a Walter que está convencida de que su madrastra Phyllis está detrás de la muerte de su padre. La madre de Lola también murió en circunstancias sospechosas y Phyllis era su enfermera. Al darse cuenta de que Phyllis ha matado antes, Walter empieza a ver a Lola para evitar que vaya a la policía con sus sospechas, y más tarde por culpa y para protegerla de su madrastra. Walter teme que Phyllis asesine a Lola por sus sospechas y porque Dietrichson había cambiado su testamento a favor de Lola, dejando a Phyllis sin nada.

Keyes encuentra un testigo que dice que el hombre del tren era más joven que el muerto. Walter advierte a Phyllis de que si lleva la reclamación del seguro a los tribunales se arriesga a exponer el asesinato. Intenta convencerla de que se mantenga al margen y deje que él intente convencer a Norton de que pague la reclamación.

Lola le dice a Walter que ha descubierto que su novio, el exaltado Nino Zachette, ha estado viendo a Phyllis a sus espaldas. Walter se enfrenta a Phyllis y le dice que sabe lo de ella y Zachette. Supone que ella está planeando que Zachette mate a Lola y a él, pero le dice que su intención es matarla a ella e inculpar a Zachette. Phyllis dispara a Walter en el hombro, pero se ve incapaz de acabar con él, dándose cuenta de que se preocupa por otra persona por primera vez en su vida. Walter no cree a Phyllis y la mata. Espera a Zachette y le aconseja que no entre en la casa. Le convence de que llame a Lola.

Walter se dirige a la oficina y enciende el dictáfono, volviendo al principio de la película. Keyes llega sin ser visto y escucha la verdad. Walter le dice que va a huir a México, pero se desmaya. Keyes enciende un cigarrillo para Walter, mientras espera a la policía y a una ambulancia.