Nina Sayers (Natalie Portman) là một vũ công trẻ của một công ty ba lê danh thế tại New York. Cô ấy sống với mẹ, Erica (Barbara Hershey), trước đây từng là vũ công nhưng giờ thì trở thành nghệ sĩ nghiệp dư, bà đã kết thúc sự nghiệp của mình ở tuổi 28 khi có thai Nina.

Công ty ba lê đang chuẩn bị để diễn vở Hồ thiên nga. Đạo diễn là Thomas Leroy (Vincent Cassel) phải chọn một người mới để làm vũ công chính vì anh ta đã buộc vũ công chính hiện tại của mình là Beth Macintyre (Winona Ryder) nghỉ việc. Người đóng vai chính này phải có khả năng phác họa được sự ngây thơ mong manh của Thiên nga trắng và sự tối tăm, dâm dục, xấu xa của người chị em sinh đôi là Thiên nga đen. Nina được chọn để tranh tài cùng các vũ công khác. Sau màn nhảy thử khá tệ của mình, cô đến gặp Thomas để đề nghị anh ta xem xét lại và cho cô vai diễn. Anh ấy nói rằng kỹ thuật cứng nhắc của cô ấy rất lý tưởng cho vai Thiên nga trắng, nhưng cô ấy lại thiếu niềm đam mê để nhảy vai Thiên nga đen. Sau đó anh ta hôn cô ấy một cách cưỡng ép cho đến khi cô ấy cắn vào môi anh ta. Và cuối cùng Nina được chọn cho vai Nữ hoàng Thiên nga (Swan Queen). Beth say rượu và giận dữ đe dọa Thomas và Nina, sau đó cô ta bị tông xe và bị thương trầm trọng, Thomas tin rằng đây là một vụ cố ý tự sát.

Nina bắt đầu chứng kiến những sự việc kỳ lạ xảy ra xung quanh mình. Trong khi đó, Thomas càng ngày càng chỉ trích sự lạt lẽo trong những điệu nhảy của Nina trong vai Thiên nga đen và nói rằng cô ấy nên ngừng trở thành một người cầu toàn và dần làm mất chính mình trong vai diễn. Cô ấy bắt đầu làm quen với một vũ công khác trong công ty là Lily (Mila Kunis), người mà Thomas miêu tả có những phẩm chất mà Nina thiếu. Mối quan hệ giữa 2 vũ công trở nên lạnh nhạt vì sự hớ hênh trong lời ăn tiếng nói của Lily, để bù cho chuyện đó, Lily xuất hiện tại cửa nhà của Nina và mời cô ấy ra ngoài vào buổi tối. Lúc đầu Nina khá do dự, nhưng quyết định đi cùng Lily, chống đối lại mẹ mình. Sau đó, Lily mời Nina một viên thuốc lắc. Sau khi trở về căn hộ, Nina cãi nhau với mẹ mình. Cô tự chặn cửa phòng lại và quan hệ tình dục với Lily. Sáng hôm sau, Nina thức dậy một mình và nhận ra mình đã trễ cho buổi diễn tập. Khi đến trường quay, cô ấy thấy Lily đang nhảy vai Nữ hoàng Thiên nga. Tức giận, cô đối mặt với Lily và hỏi tại sao không đánh thức cô ấy dậy vào buổi sáng. Lily nói rằng cô ta đã dành cả đêm với một gã đàn ông gặp trong câu lạc bộ đêm, và phát hiện ra rằng Nina đã tưởng tượng toàn bộ tình tiết tình dục đó.

Những ảo giác của Nina càng trở nên dữ dội hơn trong những buổi diễn tập và ở nhà, lên đến đỉnh điểm trong một trận đánh nhau với mẹ mình và sau đó bất tỉnh. Lo ngại về những biểu hiện thất thường của con gái mình, mẹ của Nina cố gắng ngăn cô ấy tham dự đêm biểu diễn mở màn, nhưng Nina phá cửa và khăng khăng rằng mình có thể nhảy. Lily và Thomas rất bối rối về sự xuất hiện của Nina khi mẹ cô ấy gọi và nói rằng cô ấy bệnh nặng.

Màn diễn đầu hoàn thành rất suôn sẻ cho đến khi Nina bị rối trí khi bị nâng lên và xoay vòng bởi một ảo giác và Hoàng tử (trong kịch) thả cô ấy xuống sân khấu. Quẫn trí, cô ấy trở về phòng thay đồ và thấy Lily đang mặc bộ đồ của Thiên nga đen. Khi Lily thông báo rằng cô ấy có ý định diễn vai Thiên nga đen, cô ấy bỗng biến thành chính Nina. Nina và kẻ song sinh này vật lộn và Nina đã đẩy mạnh kẻ đó vào tấm gương và làm vỡ nó. Cô ấy chộp lấy một mảnh gương vỡ và đâm vào bụng kẻ song sinh đó. Nina chợt thấy cái xác đó là của Lily. Cô giấu cái xác, trở lại sân khấu và nhảy vai Thiên nga đen thật nồng nhiệt và dâm dục. Cô ấy còn mọc thêm lông chim và thành cánh chim đen, cô ấy cuối cùng đã bỏ lại bản thân mình và biến thành Thiên nga đen. Vào cuối màn diễn, cô nhận được những tràng pháo tay nhiệt liệt từ khán giả. Khi rời sân khấu, cô gặp Thomas và những người còn lại trong dàn diễn viên đang đến chúc mừng cô cho màn biểu diễn tuyệt vời đó. Nina ôm lấy Thomas và bất chợt hôn anh ta.

Trở lại phòng thay đồ để chuẩn bị cho phần diễn cuối cùng là cái chết của Thiên nga trắng thì Nina nghe có tiếng gõ cửa. Cô mở ra và thấy Lily đến để chúc mừng về màn biểu diễn Thiên nga đen. Nina nhận ra rằng trận giằng co với Lily chỉ là tất cả những ảo ảnh mà cô đã trải qua, tất cả đều là ảo giác, nhưng khi cô nhìn vào gương thì thấy gương vẫn vỡ. Cô thấy một vết thương trên cơ thể mình và nhận ra cô đã tự đâm chính mình, không phải là Lily. Trở lại sân khấu, cô vẫn diễn thật nhiệt tình và liền mạch vai Thiên nga trắng. Trong phút cuối cùng của màn múa ba lê, khi Thiên nga trắng sắp nhảy xuống vách đá, cô nhận ra mẹ mình đang khóc ở hàng ghế khán giả. Cả khán đài nổ ra những tràng pháo tay như sấm khi Nina rơi xuống. Sau đó Thomas và cả đoàn diễn hăng hái đến chúc mừng màn biểu diễn, Lily kinh ngạc đến ghê rợn khi thấy Nina đang chảy máu. Nina nằm đó và bị thương, bộ phim kết thúc với cảnh Nina nhìn chằm chằm lên ánh đèn sân khấu, thì thầm "Tôi đã cảm nhận được nó – Hoàn hảo – Nó thật hoàn hảo,"[3][4] và màn hình chuyển sang màu trắng và khán giả đang reo hò tên cô ấy.