Dos jóvenes estadounidenses, Lindsay y Jenny, están de viaje por toda Europa. Se les acerca un hombre que las invita a una fiesta en Alemania. Deciden ir, pero como en las típicas películas de terror, se pierden y acaban con una rueda pinchada en medio del bosque, sin señal de móvil y lloviendo. Caminan por el bosque, en lugar de seguir la carretera, durante una hora, y encuentran la casa del Dr. Heiter.

El Dr. Heiter invita a las dos mujeres a entrar en su casa. Al cabo de un rato, les ofrece una bebida con la droga de la violación, que las deja inconscientes. Al día siguiente se despiertan, atadas a las camas del hospital, junto con Katsuro. Comienza a explicar a los tres lo que les va a hacer, ofreciéndoles dibujos para ilustrar su punto de vista: literalmente, planea simplemente cortarles los ligamentos de las rodillas para que no puedan ponerse de pie, y luego coser los labios de Lindsay al ano de Katsuro, y luego los labios de Jenny al ano de Lindsay, formando así un ciempiés humano.

El Dr. Heiter intenta, y consigue, crear el ciempiés humano. Comienza a intentar entrenarlos como a un perro, tratando de enseñar al trío a buscar periódicos y a comer de un cuenco para perros. Como Katsuro es el jefe del ciempiés, básicamente tiene el control de todo lo que hacen, por lo que es extremadamente desobediente y no sigue ninguna orden que se le da. En varias ocasiones, el Dr. Heiter azota brutalmente al trío por su desobediencia.

Tras varias escenas en las que se repite el tema del entrenamiento básico anterior, el Dr. Heiter lleva al ciempiés humano a una revisión. Katsuro y Lindsay gozan de buena salud, pero las heridas quirúrgicas de Jenny están infectadas y el Dr. Heiter decide que hay que sacarla del ciempiés, matarla y sustituirla. Sin embargo, antes de que pueda hacerlo, la policía llama a su puerta. Vuelve a subir las escaleras para recibir a los agentes. Éstos le piden que visite su sótano, pero él se niega a permitírselo. Intenta drogarlos a ambos, pero ninguno de ellos cae en la trampa y les amenaza con volver con una orden judicial.

Mientras el Dr. Heiter está arriba, el ciempiés humano intenta escapar. Katsuro se arma con un bisturí quirúrgico. El trío se esconde en el pasillo. Cuando el Dr. Heiter vuelve a bajar, Katsuro ataca. Apuñala al Dr. Heiter en el pie, retuerce la hoja y se la clava en la espinilla. Cuando el Dr. Heiter cae, Katsuro le arranca una parte del cuello de un mordisco. El ciempiés humano intenta escapar y se arrastra hasta una habitación e intenta romper la ventana de cristal. Sin embargo, fracasa, ya que el cristal está endurecido, pero se desprenden varios fragmentos. El Dr. Heiter sigue al ciempiés humano y lo acorrala en la habitación. Katsuro, sintiéndose fracasado con su vida, se suicida con el fragmento de cristal, atrapando a Lindsay y a Jenny, que siguen cosidas a él.

La policía regresa con una orden de arresto, tal y como había amenazado. Tiran la puerta mientras el Dr. Heiter se aleja cojeando, encerrando lo que queda del ciempiés humano en la habitación. El Dr. Heiter consigue apuñalar a un agente de policía en el cuello, robarle el arma y disparar al otro. A pesar de que el agente se está muriendo, efectúa un disparo y le da al Dr. Heiter directamente en la cabeza, matándolo, antes de morir él mismo.

En la habitación, Jenny muere lentamente a causa de su infección. Siendo Lindsay la única persona viva dentro de la casa, no puede hacer nada, ya que las otras partes del ciempiés están muertas. La pantalla pasa a negro antes de que se revele lo que le ocurre a Lindsay.