精神病院的默奇遜院長即將退休，接手的是年輕有為的愛德華大夫（格利高里·派克飾）。醫院里年輕漂亮的女醫生彼特森（英格麗·褒曼飾）和他相愛，然而竟發現眼前的愛人不是愛德華大夫，而真實的愛德華的秘書還前來指出這個冒牌人士是殺害愛德華的兇手。面對戀人撲朔迷離的身份，彼特森始終不相信他是殺人兇手，然而默奇遜院長卻用精神分析法印證了"事實"。更為棘手的是，這個假愛德華也相信自己有罪，他甚至連自己是誰、經歷過的事情也不知道。彼特森對自己的判斷非常堅持，她決定要幫他找出事件真相。在警察的追捕下，她帶他逃到了心理分析教授的家中，展開了一連串精彩的心理分析過程。通過解析其童年創傷與象征性夢境，逐步揭示了假愛德華實為失憶癥患者的真相，并最終鎖定真兇——默奇遜院長借刀殺人并偽造身份的犯罪動機。經由精神分析技術突破記憶封鎖后，假愛德華恢復了約翰·布朗的真實身份與無罪記憶，彼特森亦以科學方法證明清白。案件真相揭露后兇手被繩之以法，兩位主人公在破解身份謎團的過程中重建了情感與理性認知的平衡。