ニューヨークのバレエ・カンパニーに所属するニナ(ナタリー・ポートマン)は、元ダンサーの母親・エリカ(バーバラ・ハーシー)の寵愛のもと、人生の全てをバレエに捧げていた。

そんな彼女に新作「白鳥の湖」のプリマを演じるチャンスが訪れる。だが純真な白鳥の女王だけでなく、邪悪で官能的な黒鳥も演じねばならないこの難役は、優等生タイプのニナにとってハードルの高すぎる挑戦であった。

さらに黒鳥役が似合う奔放な新人ダンサー、リリー(ミラ・クニス)の出現も、ニナを精神的に追いつめていく。やがて役作りに没頭するあまり極度の混乱に陥ったニナは、現実と悪夢の狭間をさまよい、自らの心の闇に囚われていく。

劇団の演出家であるトーマス・リロイ(ヴァンサン・カッセル)から、厳しいレッスンを受け、さらには「君のバレーは不感症のバレーだ」と指摘され、リリーのような官能的な雰囲気、性的な悦びを感じられるようになれ、と命じられる。だが、それは母親にバレエのみに打ち込む生活を強いられたこともあり、自ら触れないようにしてきたことだった。

重圧を感じるながらも、主役に選ばれ喜んでいた最中、ニナに主役の座を追われ、精神が崩壊したベス(ウィノナ・ライダー)が、走る車に飛び込んで重症を負ったという知らせを聞く。そのこともニナにとっては大きな心の傷となる。

主役の座を追われる…その痛みがどれほどのものなのか、ニナは身をもって知ることになる。リリーがニナの緊急時における代役に抜擢され、さらにニナは追い詰められていく。そして、リリーに敵愾心を抱きながら、ますますバレエに打ち込んでいく。その様子は狂気を孕んでおり、娘の異変に母・エリカは心配し、バレエから遠ざけよう、とさえした。

ようやく迎えた公演初日、ニナは遅れて会場に現れる。その様子は、繊細で大人しい、いつものニナとはどこか異なっていた。そんな彼女にトーマスは「自分の障害となっているのは、自分自身だ。自分を解き放て」と告げる。