精神病院的默奇逊院长即将退休，接手的是年轻有为的爱德华大夫（格利高里•派克 Gregory Peck 饰）。医院里年轻漂亮的女医生彼特森（英格丽•褒曼 Ingrid Bergman 饰）和他相爱，然而竟发现眼前的爱人不是爱德华大夫，而真实的爱德华的秘书，还前来指出这个冒牌人士是杀害爱德华的凶手。
　　面对恋人扑朔迷离的身份，彼特森始终不相信他是杀人凶手，然而默奇逊院长却用精神分析法印证了“事实”。更为棘手的是，这个假爱德华也相信自己有罪，他甚至连自己是谁，经历过的事情也不知道。
　　彼特森对自己的判断非常坚持，她决定要帮他找出事件真相。在警察的追捕下，她带他逃到了心理分析教授的家中，展开了一联串精彩的心理分析过程，他童年的阴影和爱德华大夫被杀的真相渐渐浮出水面。

爱德华大夫是一位年轻有为的精神病专家，他被推举为格林玛纳斯精神病疗养院的新任院长，来接替即将退休的默奇逊大夫。年轻貌美的康丝坦丝是该院一名出色的医生，她待人热情友善，深受医院的同事和病员们的爱戴。
当英俊潇洒的爱德华大夫出现在医院餐厅的时候，康丝坦丝不禁为他那迷人的魅力所吸引。他们在餐桌上愉快地交谈着，康丝坦丝还引用爱德华大夫在他着作中所论述的观点，既户外活动对精神病康复所起的重要作用。她兴奋地向爱德华介绍疗养院附近的游泳池，随手用餐叉在桌布上划出那些弯曲的泳道。爱德华对她的这种举动表现出非常不安，面部神经抽搐起来，他说，这些东西看起来简直令人感到厌烦。
康丝坦丝被爱德华的异常反应所触动，心里不由地产生了疑问。爱德华大夫对康丝坦丝也萌发了爱慕之情，他约康丝坦丝下午一起到外面散步，两人在彼此了解中建立了感情，他们很快边坠入了爱河。晚上，康丝坦丝控制不住自己的感情，她寻找借口走进爱德华的房间。两人热烈地拥抱着，突然，爱德华看见康丝坦丝睡衣上那些带条纹的图案，他惊恐地推开恋人，似乎在强烈地躲避着什么......
在医院的手术室里，爱德华大夫的精神又一次受到外部事物的刺激，晕倒在手术台旁。康丝坦丝对爱德华的种种异常的行为，产生了戒备之心。她仔细对比了爱德华大夫在着作上的签名和他写给自己的字条的笔迹，发现两者有所不同，也就是说眼前的这个爱德华是个冒名顶替的人，那么他又会是什么人呢？
爱德华终于对康丝坦丝吐露了实情，这令她大吃一惊。原来，真正的爱德华大夫已经被他杀死了，但是他的真实身份却不得而知，因为他已经失去了对过去的记忆。康丝坦丝凭她做医生的直觉判断，眼前的爱德华并不是杀人凶手，他仅既是在幻觉中把自己当成了杀人犯。爱德华不想让康丝坦丝为他担心并且受到连累，他独自一人离开疗养院，来到纽约帝国饭店暂时住下来。
康丝坦丝见到爱德华留下的便条，随后立即赶到帝国饭店，寻找自己的恋人。她发现爱德华在饭店登记的姓名是约翰.布朗。布朗对她的真诚和善良感到无比激动，他们彼此拥抱着，发誓永远不再分离。康丝坦丝尝试帮爱人找回失去的记忆，但是经过多次努力都没有结果。新闻界披露了他们在一起的消息，两人被迫前往康丝坦丝的老师布鲁诺夫博士家。康丝坦丝一到那里，就向老师介绍自己的“新婚丈夫”约翰.布朗。但是经验丰富的博士从布朗的眼神里看出他的精神病倾向，深夜，他一个人坐在书桌旁看书，果然见到发病的布朗手里拿着一把剃刀，向楼下走来。布鲁诺夫给他一杯放有镇静剂的牛奶，巧妙的化解了这种危险的局面。康丝坦丝请求老师给布朗治病，他们一起分析布朗的梦境，发现其中很多次出现天使谷滑雪的场面。
康丝坦丝与布朗来到天使谷，希望能唤起布朗的记忆。布朗一直害怕自己将面对杀死爱德华大夫的事实，因为他的内心深处埋藏着一段童年时可怕的往事。他回忆起自己因为在一次意外事故中失手，酿成了弟弟死亡的悲剧。康丝坦丝把它与爱德华事件联系起来，得出了一个答案：爱德华大夫与布朗一起在山谷里滑雪，突然爱德华在他前方偏离滑道，坠入了深渊。布朗因此认定是自己杀死了爱德华大夫。当地的警察不久便在出事地点附近，找到爱德华大夫的尸体，经法医检验是被枪击致死的。于是，警方立即逮捕了有重大嫌疑的布朗。
布朗被捕以后，康丝坦丝回到了疗养院。虽然她坚信布朗是清白的，但是真正的凶手仍然逍遥法外。默奇逊医生与康丝坦丝交谈时，无意中透露出他曾经与爱德华大夫有过来往。康丝坦丝顿时醒悟到了什么，她回去仔细分析了布朗奇怪的梦境，发现默奇逊有杀人的嫌疑。
她来到默奇逊医生的办公室里，当面分析布朗的案情，以便观察默奇逊的反应。当她说到布朗梦中出现的手里拿着一个轮子的人时，马上联想到这可能是一只手枪的象征。不料，这时默奇逊把作案的凶器，一把左轮手枪掏了出来，并且用它对准了康丝坦丝。
默奇逊赞赏她的心理分析能力，不过他指出可惜她是个愚蠢的女人，不该把这一切告诉凶手。因为对凶手来说，杀一个人同杀两个人并没有什么区别，所受到的惩罚都是一样的。面对枪口，康丝坦丝表现得异常冷静。她对默奇逊说，第一次犯罪警方因证据不足，也许不能对他实施法律制裁，他可以继续从事他的工作。但是如果他愚蠢地再次杀人，两罪并重必将受到法律的严惩。默奇逊听到这番话，心理充满了矛盾，最后他掉转枪口畏罪自杀了。