Nina Sayers (Natalie Portman), seorang balerina muda berbakat di perusahaan tari bergengsi di kota New York. Dia tinggal bersama ibunya, Erica (Barbara Hershey), seorang mantan penari berbakat yang menghentikan karirnya karena melahirkan Nina. Seluruh hidup Nina didedikasikan pada balet dan hampir tak punya waktu untuk melakukan aktivitas lain.
Perusahaan balet kemudian sedang mempersiapkan pagelaran balet Swan Lake, di mana sang direktur artistik bernama Thomas (Vincent Cassel) harus mencari penari baru untuk menggantikan sosok balerina papan atas bernama Beth (Winona Ryder) yang dipaksa pensiun. Si tokoh utama harus mampu dengan lugas menampilkan karakter Angsa Putih yang bersahaja dan polos, sekaligus menampilkan karakter Angsa Hitam yang sensual dan menggoda. Nina pun dipilih untuk bersaing dalam peran ini bersama penari lainnya. Setelah audisi yang berjalan buruk, Nina menemui Thomas untuk meminta mempertimbangkan kembali dan memberikan peran tersebut kepada dirinya. Sang direktur mengatakan kepadanya bahwa teknik tariannya sangat kaku, yang identik hanya untuk memerankan Angsa Putih. Namun setelah Thomas memaksa menciumnya, Nina menggigit bibirnya, yang membuatnya yakin bahwa semangat Nina masih dapat digali lagi, yang akhirnya terpilih untuk memerankan sosok Swan Lake. Beth yang mabuk, marah terhadap Nina yang menganggapnya telah merayu sang direktur untuk mendapatkan peran, karena sebelumnya Thomas selalu menilai bahwa Nina memiliki tarian yang kaku. Malam itu juga, Beth tertabrak mobil hingga terluka parah, dan Thomas percaya itu adalah usaha bunuh diri.
Nina kemudian mulai mengalami kejadian-kejadian aneh di sekelilingnya. sementara itu Thomas semakin kritis terhadap Nina saat latihannya memerankan Angsa Hitam, dan mengatakan bahwa dia harus berhenti menjadi perfeksionis agar tidak kehilangan dalam peran itu. Nina kemudian berkenalan dengan penari lain bernama Lily (Mila Kunis), yang Thomas gambarkan memenuhi persyaratan untuk karakter Angsa Hitam. Hubungan kedua penari ini menjadi dingin karena kecerobohan Lily yang mengadu ke Thomas kalau Nina mengeluh atas apa yang dilakukannya. Namun untuk menebus kesalahannya, Lily datang ke rumah Nina dan mengajaknya keluar. Nina yang awalnya ragu, akhirnya memenuhi ajakannya yang bertentangan dengan keinginan ibunya. Saat keluar, Lily menawarkannya sebutir ekstasi agar dapat membuatnya merasa santai dan lepas. Setelah kembali ke rumah, Nina bertengkar dengan ibunya, kemudian mengunci di kamarnya dan berhubungan seks dengan Lily. Keesokan paginya, dia bangun sendirian dan terlambat untuk latihan. Ketika ia tiba di studio, dia menemukan Lily sedang latihan memerankan Swan Lake. Marah, dia menghampirinya dan bertanya mengapa dia tidak membangunkannya. Lily mengatakan bahwa dia semalam menghabiskan waktunya dengan seorang pria yang dia temui di klub, dan mengatakan bahwa Nina hanya bermimpi telah berhubungan seks dengannya.
Halusinasi yang dialami Nina menjadi parah saat ditempat latihan maupun di rumah, bahkan di rumah sakit saat dia mengunjungi Beth, di mana dia mulai beranggapan bahwa Lily ditunjuk sebagai penari cadangannya, dan menganggap berupaya untuk merebut perannya. Prihatin dengan perilaku Nina yang tak menentu, ibunya mencoba mencegahnya menghadiri acara pergelaran, namun Nina memaksa untuk pergi.
Saat di atas pentas, penampilan pertama Nina berjalan dengan baik, sampai akhirnya dia mendapatkan halusinasi lagi saat menampilkan gerakan lifting dan terjatuh. Bingung, ia kembali ke kamar riasnya dan menemukan Lily sedang memakai kostum Angsa Hitam. Lily mengatakan akan memerankan sebagai Angsa Hitam untuknya, Nina menjadi marah dan mendapatkan halusinasi lagi dengan menemukan Lily yang berubah menjadi dirinya. Nina yang marah dengan tubuh ganda nya, mendorongnya ke cermin hingga pecah, dan kemudian meraih pecahan kaca dan menikam perut tubuh ganda nya. Setelah Nina melihat bahwa tubuh yang ditikamnya itu adalah tubuh Lily, dia segera menyembunyikannya dan kembali ke panggung. Pementasan selanjutnya adalah Nina menari sebagai Angsa Hitam, saat itu juga dia mendapatkan halusinasi lagi dan menemukan tangannya telah tumbuh bulu-bulu hitam, selanjutnya menjadi sayap hitam dan akhirnya kehilangan dirinya sendiri dengan berubah menjadi angsa hitam. Di akhir peran tersebut, ia menerima tepuk tangan dari penonton.
Saat kembali ke kamar riasnya, Nina mempersiapkan peran terakhirnya sebagai Angsa Putih yang sekarat. Lalu ada yang mengetuk pintu dan saat dibuka, dia melihat Lily datang untuk mengucapkan selamat pada perannya sebagai Angsa Hitam. Nina pun menyadari bahwa menikam Lily hanyalah halusinasi, namun dia melihat cermin masih hancur. Dia akhirnya menemukan luka di perutnya, dan menyadari bahwa ia telah menikam dirinya sendiri. Saat kembali ke atas panggung, ia menari penuh semangat sebagai Angsa Putih, dan pada saat-saat terakhir dari tariannya, dia menampilkan adegan melemparkan diri dari tebing, ia melihat ibunya menangis di antara para penonton. Teater pun meletus dengan gemuruh tepuk tangan saat Nina menampilkan adegan jatuh. Saat Thomas dan penari-penari lainnya mengucapkan selamat pada prestasinya, Lily melihat bahwa Nina mengalami pendarahan diperutnya. Melihat Nina terluka, film akhirnya berakhir saat Nina menatap lampu-lampu panggung dan berbisik di telinga Thomas dengan mengatakan: "Aku merasakan itu tadi sangat sempurna."
