Der Polizist John Ferguson (genannt Scottie) quittiert nach einem traumatischen Erlebnis mit seiner Höhenangst den Dienst. (Vertigo ist das englische Wort für den Drehschwindel, der an Höhenangst leidende Menschen befällt, wenn sie von hohen Punkten hinunterschauen.)
Scottie bekommt von seinem alten Schulfreund Gavin Elster den Auftrag, dessen Frau Madeleine zu beschatten. Der Freund macht sich Sorgen um seine Frau, die scheinbar vom Geist ihrer Urgroßmutter Carlotta heimgesucht wird, die sich mit 26 Jahren das Leben genommen hat. Madeleine ist 26 und verspürt in den Momenten der Heimsuchung einen großen Drang, sich ebenfalls umzubringen. Scottie und Madeleine verlieben sich ineinander, doch aufgrund seiner Krankheit kann er es nicht verhindern, dass sie sich von einem Turm stürzt.
Nach einigen Jahren trifft Scottie auf Judy, die Madeleine verblüffend ähnlich sieht, charakterlich aber ganz anders ist. Er versucht, einem modernen Pygmalion gleich, Judys Aussehen und Verhalten dem von Madeleine ähnlich zu machen. Zum Schluss erkennt er, dass er einem Komplott aufgesessen ist, und fährt mit Judy zum Ort des vermeintlichen Selbstmords, um sie zu einem Geständnis zu zwingen. In der letzten Szene jedoch stürzt Judy aufgrund eines Unfalls vom Turm. Scottie hat damit seine Liebe endgültig verloren, ist jedoch von seiner Höhenangst befreit und hat zugleich den Mord von Gavin Elster an seiner Frau aufgedeckt.