Le film commence avec une voix off féminine : "La nuit dernière, j'ai rêvé que je retournais à Manderley", sur des images d'un manoir de campagne en ruines. L'héroïne est une jeune femme (et sans nom) (Joan Fontaine), une compagne payée de la riche mais odieuse Edythe Van Hopper (Florence Bates). L'héroïne rencontre l'aristocrate veuf Maximilian (Maxim) de Winter (Laurence Olivier) à Monte Carlo. Ils tombent amoureux et se marient en deux semaines.
Maxim emmène sa nouvelle épouse à Manderley, sa maison de campagne en Cornouailles, en Angleterre. L'intendante, Mme Danvers (Judith Anderson), est dominatrice et froide, et est obsédée par la grande beauté, l'intelligence et la sophistication de la première Mme de Winter, la fameuse Rebecca, et conserve sa chambre comme un sanctuaire. Le cousin de Rebecca, Jack Favell (George Sanders), apparaît à la maison lorsque Maxim est absent.
La nouvelle Mme de Winter est intimidée par ses responsabilités et commence à douter de sa relation avec son mari. Les rappels continus de Rebecca l'accablent ; elle croit que Maxim est toujours profondément amoureux de Rebecca. Elle découvre également que son mari devient parfois très en colère contre elle pour des actions apparemment innocentes.
Essayant d'être la parfaite épouse, la jeune Mme de Winter convainc Maxim d'organiser une fête costumée comme il l'avait fait avec Rebecca. L'héroïne essaie de planifier son propre costume, mais Mme Danvers lui suggère de copier la magnifique tenue du portrait de Caroline de Winter, une ancêtre. Lors de la fête, lorsque le costume est révélé à Maxim, il est consterné ; Rebecca portait la même tenue à leur bal il y a un an, peu de temps avant sa mort. L'héroïne confronte Danvers, qui lui dit qu'elle ne pourra jamais prendre la place de Rebecca, et parvient presque à la convaincre de se jeter dans le vide. Une soudaine agitation révèle qu'un bateau est en train de couler.
L'héroïne se précipite dehors, où elle apprend que lors du sauvetage, un bateau coulé a été retrouvé avec le corps de Rebecca à l'intérieur. Maxim admet qu'il avait précédemment identifié à tort un autre corps comme celui de Rebecca, afin de cacher la vérité. Au tout début de leur mariage, Rebecca avait dit à Maxim qu'elle avait l'intention de continuer la vie sexuelle perverse et promiscue qu'elle menait avant le mariage. Il la détestait mais ils avaient convenu d'un arrangement : elle agirait comme la parfaite épouse et hôtesse en public, et il ignorerait les affaires menées en privé par Rebecca. Rebecca était devenue négligente et complaisante dans ses agissements, y compris une liaison en cours avec son cousin Jack Favell. Une nuit, Rebecca informa Maxim qu'elle était enceinte de l'enfant de Favell. Au cours de la dispute qui s'ensuivit, elle tomba, se frappa la tête et mourut. Maxim sortit le corps dans un bateau qu'il coula ensuite.
Abandonnant les vestiges de son innocence juvénile, la femme de Maxim conseille à son mari comment dissimuler le mode de la mort de Rebecca aux autorités. Lors de l'enquête de police, les dommages délibérés au bateau semblent indiquer un suicide. Favell montre à Maxim une note de Rebecca qui semble indiquer qu'elle n'était pas suicidaire. Favell tente alors de faire chanter Maxim, mais Maxim en informe la police. Maxim est maintenant soupçonné de meurtre. L'enquête se concentre ensuite sur la visite secrète de Rebecca à un médecin de Londres (Leo G. Carroll), que Favell suppose être due à sa grossesse illicite. Cependant, l'entretien du coroner avec le médecin révèle que Rebecca se trompait en croyant être enceinte ; elle était en fait atteinte d'un cancer à un stade avancé.
Les preuves du médecin persuadent le coroner de conclure à un suicide. Seul Frank Crawley (le meilleur ami de Maxim et gestionnaire du domaine), Maxim et sa femme connaîtront toute l'histoire : que Rebecca avait menti à Maxim sur sa prétendue grossesse avec l'enfant d'un autre homme pour le pousser à la tuer, un moyen indirect de suicide.
Alors que Maxim rentre chez lui de Londres à Manderley, il trouve le manoir en feu, incendié par la démente Mme Danvers. La deuxième Mme de Winter et le personnel parviennent à échapper aux flammes, mais Danvers meurt dans l'incendie.