纽约一家剧团准备重新编排《天鹅湖》。由于前任领舞Beth（薇诺娜·赖德 Winona Ryder 饰）离开，剧团总监Thomas（文森特·卡索尔 Vincent Cassel 饰）决定通过海选挑选新的领舞，并要求演员同时诠释黑天鹅与白天鹅。
Nina（娜塔莉·波特曼 Natalie Portman 饰）从小学习芭蕾，在母亲无微不至的照料下练就了出众的舞技，也因此希望在这次选拔中脱颖而出。然而，性格复杂、颇有心机的Lily（米拉·库妮丝 Mila Kunis 饰）成为她最强劲的竞争对手。选拔时，Nina将纯洁优雅的白天鹅演绎得无可挑剔，却在黑天鹅的表现上逊于Lily。身心俱疲的她回到家后，发现背部出现红斑，脚上也受了伤。
为了争取机会，Nina独自找到Thomas。面对Thomas趁机的亲吻，她强硬地拒绝了对方。出人意料的是，Thomas最终还是选中了她。队友们因此怀疑她是靠色相上位，Beth甚至在酒会上当众发泄不满。接连而来的压力与伤病不断影响着Nina的发挥。Thomas启发她释放内心的激情，展现黑天鹅的诱惑力。在强烈的心理暗示下，Nina仿佛逐渐滑向了黑天鹅的角色。
