L'avvocato e poliziotto John Ferguson (Scottie) soffre di vertigini per un incidente sul lavoro che lo ha portato a dimettersi dalla polizia. Un suo ex-compagno di college, Gavin Elster, gli affida l'incarico di sorvegliare sua moglie Madeleine, vittima di strane ossessioni. La donna s'identifica con la bisnonna materna, Carlotta Valdés, la quale, abbandonata dall'amante e privata della figlia nata dalla loro relazione, morì suicida.
Pedinandola Scottie la vede visitare la tomba dell'antenata e vari luoghi a lei collegati e quando Madeleine passeggiando sul Golden Gate improvvisamente si getta in acqua l'avvvocato la salva e la porta nel suo appartameno. I due si confidano reciproco amore e l'uomo cerca di aiutare Madeleine a guarire ma quando lei sale su un campanile che ha visto in un sogno ricorrente non può seguirla a causa delle vertigini e atterrito la vede precipitare nel vuoto.
Scottie finisce in una clinica psichiatrica per curare la depressione, quando ne esce conosce Judy che altri non è che Madeleine che ha cambiato identità e colore di capelli.
In realtà la donna era l'amante di Gavin Elster e quello che Scottie aveva visto precipitare era il corpo della moglie di quest'ultimo uccisa dal marito. Scottie crede di aver trovato una nuova Madeleine e i due vivono una storia d'amore finchè Scottie, riconoscendo una collana, scopre l'inganno e riporta Madeleine/Judy sul campanile costringendola a confessare. La donna sostiene di essersi veramente innamorata ma viene spaventata da un'ombra misteriosa e precipita nel vuoto.
(Sintesi della trama disponibile su Wikipedia).