De noche, en las afueras de París, una mujer conduce por la orilla de un río y arroja un cadáver al mismo. Una vez recuperado el cuerpo, el Dr. Génessier identifica los restos como los de su hija desaparecida, Christiane, cuyo rostro quedó horriblemente desfigurado en un accidente automovilístico ocurrido antes de su desaparición, del que él era responsable. El Dr. Génessier vive en una gran mansión, adyacente a su clínica, con numerosos pastores alemanes y otros perros de gran tamaño enjaulados.

Tras el funeral de Christiane, el Dr. Génessier y su ayudante Louise, la mujer que se había deshecho del cadáver anteriormente, regresan a su casa, donde se esconde la verdadera Christiane (se explica que Louise es mortalmente leal a Génessier porque él reparó su propio rostro gravemente dañado, dejando sólo una cicatriz apenas perceptible que cubre con una gargantilla de perlas). El cuerpo pertenecía a una joven que murió tras el intento fallido del Dr. Génessier de injertar su rostro en el de su hija. El Dr. Génessier promete restaurar el rostro de Christiane e insiste en que lleve una máscara para cubrir su desfiguración. Cuando su padre sale de la habitación, Christiane llama a su prometido Jacques Vernon, que trabaja con el Dr. Génessier en su clínica, pero cuelga sin decir nada.

Louise atrae a una joven suiza llamada Edna Grüber a la casa de Génessier. Génessier clora a Edna y la lleva a su laboratorio secreto. Christiane observa en secreto cómo su padre y Louise llevan a Edna al laboratorio, y luego va a acariciar con ternura a los perros que su padre tiene enjaulados, que aceptan con entusiasmo su amor y no se ven afectados por su aspecto.

El Dr. Génessier realiza una operación de heteroinjerto, extirpando la cara de Edna. El doctor injerta con éxito la piel en el rostro de su hija y mantiene a la Edna fuertemente vendada y sin rostro contra su voluntad. Edna escapa, pero cae al vacío desde una ventana del piso superior. Después de deshacerse del cadáver de Edna, Génessier advierte defectos en el rostro de Christiane. Su rostro empeora en pocos días; el nuevo tejido es rechazado y ella debe recurrir a llevar su máscara de nuevo. Christiane vuelve a llamar a Jacques y esta vez dice su nombre, pero la llamada es interrumpida por Louise.

Jacques informa de la llamada a la policía, que ha estado investigando la desaparición de varias jóvenes con ojos azules y características faciales similares. La policía ha conseguido una pista sobre una mujer que lleva una gargantilla de perlas, a la que Jacques reconoce como Louise. El inspector Parot, un agente que investiga la desaparición de Edna, contrata a una joven llamada Paulette Mérodon (recientemente detenida por robar en una tienda) para que le ayude a investigar ingresando ella misma en la clínica de Génessier. Tras ser declarada sana, Paulette parte hacia París y es recogida rápidamente por Louise, que la entrega al Dr. Génessier. Génessier está a punto de empezar a operar a Paulette cuando Louise le informa de que la policía quiere verle.

Mientras el doctor habla con la policía, Christiane, desencantada desde hace tiempo con los experimentos de su padre, mientras pierde lentamente la cordura por la culpa y el aislamiento, libera a Paulette y asesina a Louise apuñalándola en el cuello. También libera a los perros y palomas que su padre utiliza para los experimentos. El Dr. Génessier desestima a la policía (que acepta de buen grado sus explicaciones) y regresa a su laboratorio, donde un pastor alemán abandonado que acababa de obtener para sus experimentos le ataca, incitando a los demás perros a seguir su ejemplo: enloquecidos por el dolor y el confinamiento, lo mutilan hasta la muerte, desfigurándole la cara en el proceso. Christiane, impasible ante la muerte de su padre, se adentra lentamente en el bosque frente a la casa de Génessier con una de las palomas liberadas en sus manos.