경찰관인 스카티 퍼거슨(제임스 스튜어트)은 높은 곳에 올라가면 심각한 현기증을 느끼는 고소공포증 때문에 경찰을 그만 두고 사립탐정의 길로 들어서게 된다. 어느 날 그는 대학 친구였던 개빈 엘스터(톰 헬모어)로부터 망령에 사로잡힌 자신의 부인 매들린(킴 노박)을 미행해 달라는 부탁을 받는다. 스카티는 잠시 망설이지만 곧 그녀의 신비로운 모습에 매혹되어 홀린 듯이 그녀의 뒤를 쫓는다. 얼마 후 그는 금문교 아래에서 강물에 뛰어든 매들린을 구한 후로 그녀와 사랑에 빠지고 매들린 역시 그에게 사랑을 느끼게 된다. 그러나 매들린이 이끄는 대로 교외의 한 수녀원에 간 스카티는 종탑에 올라가는 매들린을 따라 올라가다가 다시 고소공포증을 느끼게 되고, 그 사이 매들린은 그만 추락사하고 만다. 매들린을 구하지 못했다는 죄의식에 사로잡혀 신경쇠약에 걸린 스카티는 매들린이 갔던 장소를 찾아다니며 그녀의 흔적을 찾는다. 그러던 어느 날, 스카티는 길에서 우연히 매들린과 흡사한 외모의 아가씨를 만난다. 하지만 그녀는 자신이 주디 바턴이며 그를 본 적도, 매들린에 대해 들어 본 적도 없다고 주장한다. 스카티는 그녀에게 끌리지만 매들린과 똑같은 모습 때문에 혼란을 느낀다. 외모만 비슷할 뿐 머리색이나 옷차림이 전혀 다른 그녀에게서 매들린의 모습을 찾아내려는 스카티는 심지어 그녀에게 염색을 하고 매들린과 비슷한 옷을 입으라고까지 요구한다. 매들린처럼 차려입은 주디를 보며 심한 동요를 느끼는 스카티. 그런 그의 눈에, 주디가 과거 매들린이 좋아하던 초상화의 주인공이 했던 목걸이를 한 것이 보이자 스카티는 주디가 실은 매들린임을 짐작하게 된다. [스포일러] 주디와 매들린은 동일 인물로 그녀는 그들이 앞서 만났을 때 엘스터의 아내가 아니라 그의 정부였다. 그녀가 죽은 것으로 위장한 것은 엘스터가 실제 아내를 제거하려고 치밀하게 꾸민 계획의 일부였다. 두 공범은 고소공포증을 가진 전직 형사 스카티가 엘스터 부인의 자살을 목격했다고 자백하도록 계획을 꾸밈으로써 살인을 은폐하려고 했던 것이다. 스코티는 주디가 고백하도록 하기위해 그녀를 강제로 종루 꼭대기까지 끌고 올라가 겁에 질린 매들린이 사고로 미끄러진 것임을 확인하려 한다. 그러나 이번엔 실제로 주디가 떨어져 죽고 만다.