En 1917, "Baby Jane" Hudson es una niña actriz mimada y caprichosa que actúa en teatros de vodevil de todo el país con su padre, que actúa como su representante y la acompaña en el escenario con el piano. Su éxito es tal que se fabrica una línea de muñecas de porcelana a su imagen. Mientras tanto, su tímida hermana mayor, Blanche, vive a su sombra y es tratada con desprecio por la altiva Jane. Cuando las hermanas pasan a la adolescencia, su situación se invierte; el estilo de actuación de Jane pasa de moda y su carrera decae al caer en el alcoholismo, mientras que Blanche se convierte en una aclamada actriz de Hollywood. Consciente de una promesa hecha a su madre, Blanche intenta mantener una apariencia de carrera para Jane, llegando incluso a convencer a los productores para que le garanticen papeles de actriz. Una noche de 1935, la carrera de Blanche se ve truncada cuando queda paralizada de cintura para abajo en un misterioso accidente de coche del que se culpa extraoficialmente a Jane, que es encontrada tres días después en estado de embriaguez.

En 1962, Blanche y Jane viven juntas en una mansión comprada con las ganancias del cine de Blanche. La movilidad de Blanche es limitada debido a su dependencia de una silla de ruedas y a la falta de un ascensor para acceder a su dormitorio en el piso superior. Jane, psicótica y resentida por el éxito de Blanche, la maltrata regularmente y se prepara para revivir su antiguo acto con el pianista contratado Edwin Flagg. Cuando Blanche informa a Jane de que tiene intención de vender la casa, Jane sospecha, con razón, que Blanche la internará en un hospital psiquiátrico una vez vendida la casa. Retira el teléfono de la habitación de Blanche, aislándola del mundo exterior. Durante la ausencia de Jane, Blanche se arrastra desesperadamente por las escaleras y pide ayuda a su médico. Jane regresa y encuentra a Blanche al teléfono y la golpea hasta dejarla inconsciente antes de imitar la voz de Blanche para despedir al médico. Después de atar a Blanche a la cama y encerrarla en su habitación, Jane despide bruscamente a su ama de llaves, Elvira, cuando llega al trabajo. Mientras Jane está fuera, la sospechosa Elvira se cuela en la casa e intenta acceder a la habitación de Blanche. Preocupada por la falta de respuesta, Elvira intenta romper la puerta con un martillo. Jane regresa a la casa y, de mala gana, le da la llave a Elvira. En cuanto Elvira entra en la habitación de Blanche, Jane coge el martillo y mata a Elvira. Edwin pasa por la casa pero Jane no abre la puerta. Esa noche utiliza la silla de ruedas de Blanche para trasladar el cuerpo de Elvira a su coche.

Unos días más tarde, la policía llama para informar a Jane de que el primo de Elvira ha denunciado su desaparición. Jane entra en pánico y se prepara para marcharse, llevándose a Blanche con ella. Antes de que puedan irse, un Edwin ebrio es escoltado a la casa por la policía, que lo deja allí. Descubre a Blanche atada a la cama. Edwin huye y avisa a las autoridades. Jane, en un ataque de regresión infantil, lleva a Blanche a una playa donde cantaba de niña.

A la mañana siguiente, la noticia de la desaparición de Elvira y del estado de Blanche aparece en la radio y la policía está al acecho. Blanche -que yace hambrienta, deshidratada y casi muerta sobre una manta- se revuelve y cuenta la verdadera historia del accidente de coche para liberar a Jane de la culpa, diciendo que está parapléjica por su propia culpa: La noche del accidente, Blanche intentó atropellar a Jane porque estaba enfadada con su hermana borracha por haberse burlado de ella en una fiesta esa misma noche. La columna vertebral de Blanche se rompió cuando su coche chocó contra las verjas de hierro del exterior de su mansión, y se arrastró delante del capó del coche para escenificar la causa del accidente e inculpar a Jane. Blanche se aprovechó del shock de Jane y de su posterior borrachera, ocultándole la verdadera causa del accidente, lo que sometió a Jane a una vida de culpa, soledad y servidumbre. Ahora consciente de la verdad, una entristecida Jane responde "¿Quieres decir que todo este tiempo podríamos haber sido amigas?". Cuando Jane compra helado para ella y Blanche en un puesto de refrescos cercano, es reconocida por dos agentes de policía, que le piden que les guíe hasta Blanche, atrayendo la atención de los bañistas cercanos. Jane esquiva las preguntas de los agentes y baila ante la multitud de curiosos. Los agentes encuentran a Blanche cerca y se apresuran a acercarse a ella, mientras se suceden los créditos finales.