Sous prétexte de les guérir de leurs insomnies, le docteur David Marrow a invité à "Hill House" trois de ses patients, Theo, jeune femme belle et élégante; Luke, cobaye professionnel qui est venu pour gagner un peu d'argent ; et Lili, fragile, sensible et vulnérable. En réalité, le docteur conduit une expérience sur les mécanismes de l'angoisse. Or, le château de "Hill House", lugubre résidence construite au XIXe siècle par le richissime industriel Hugh Crain, homme cruel et tourmenté, a la réputation d'être hanté.

Durant ses vacances en Italie, Paula Alquist rencontre un pianiste charmant, Gregory Anton, qui la séduit. Ils se marient et Gregory propose à Paula d'aller vivre à Londres dans la demeure que la tante de Paula, mystérieusement assassinée, lui a léguée. Le couple vit heureux, mais peu à peu Paula est en proie a d'étranges hallucinations tandis que son mari devient froid et lointain. Entre-temps, un détective de Scotland Yard, amoureux de Paula, réexamine le dossier du meurtre obscur de la vieille dame.