Балетная труппа Линкольн-центра в Нью-Йорке планирует новую постановку балета «Лебединое озеро». Прима-балерина Бет Макинтайр (Вайнона Райдер) вынуждена покинуть сцену из-за своего почтенного для балерины возраста. На главную роль претендуют несколько молодых балерин, среди которых оказывается Нина Сейерс (Натали Портман) — дочь несостоявшейся балерины, посвятившей всю жизнь заботе о дочери.

Французский хореограф Тома́ Леруа́[5] (Венсан Кассель) не уверен в том, что Нина — идеальный кандидат на роль. Он считает, что она прекрасна в роли белого лебедя, но слишком скованна и недостаточно страстна в роли чёрного[6]. Во время разговора о роли Тома пытается поцеловать Нину, но та кусает его и убегает. Тома видит в Нине внутренний потенциал и даёт ей главную роль. Ещё перед получением роли Нина крадёт из гримёрки Бет помаду, надеясь, что она послужит ей в качестве талисмана.

Вскоре после получения роли Нину начинают мучить странные зловещие галлюцинации: оживают картины её матери, странно ведут себя отражения в зеркале, у неё начинается кровотечение до того, как она действительно поранится, на спине появляется странная сыпь с кровоточащими царапинами. Мать Нины (Барбара Херши) считает, что к ней вернулась старая привычка царапать себя по ночам. В то же время с Ниной навязчиво пытается завязать дружбу другая молодая балерина — Лили (Мила Кунис).

Тома не может смириться со скованностью Нины и всё резче критикует её при всех. Он называет её фригидной и пытается соблазнить. Однажды вечером после репетиций плачущую Нину застаёт в зале Лили. Нина делится с ней переживаниями. Наутро Тома устраивает перепалку с Ниной, в результате которой становится ясно, что Лили рассказала ему о разговоре с Ниной прошлым вечером. Нина и Лили ссорятся.

Вечером мать Нины начинает выпытывать у дочери подробности её отношений с режиссёром. У двери появляется Лили и просит прощения за то, что проболталась Тома на работе. Мать Нины не даёт девушкам поговорить. В результате Нина убегает с Лили в ночной клуб. Лили удаётся напоить Нину алкоголем с экстази и довести до состояния эйфории. Девушки возвращаются домой к Нине. Пьяная Нина закрывается в комнате с Лили, и та доводит Нину с помощью куннилингуса до оргазма.

Утром Нина понимает, что проспала репетицию. В зале она слышит музыку из своей роли и видит Лили, репетирующую партию чёрного лебедя. Нина накидывается на Лили с упрёками. Лили говорит, что она провела ночь с парнем из клуба и что их ночное приключение пьяной Нине всего лишь приснилось. Нину всё сильнее тревожит страх того, что Лили хочет отобрать у неё роль.

Весь вечер перед премьерой балета Нина репетирует. Её мучают галлюцинации. Нина идёт в больницу к Бет, которая с горя бросилась под машину и получила травму ног. Нина пытается вернуть ей украденные вещи, говорит, что она совершенство. Бет, которую мучает депрессия, хватает пилочку для ногтей и со словами «Я не совершенство!» начинает протыкать ею своё лицо. Нина в ужасе выбегает из её палаты. В лифте она осознает, что пилочка для ногтей, которой Бет порезала себе лицо, почему-то у неё в руках.

Вернувшейся домой Нине кажется, что там окровавленная Бет, она замечает, что картины её матери говорят с ней. Она видит, что сыпь на её плече имеет вид гусиной кожи. В некоторых местах через кожу проступают странные шипы. Она вытаскивает один из них и видит, что это чёрное перо. У Нины проламываются назад ноги, как у птицы. Она падает, теряя сознание.

Нина просыпается только под вечер следующего дня. Мать заявляет Нине, что позвонила в театр и сказала Тома, что та больна и не может выступать на премьере. Нина срывается и бежит на работу. Тома шокирован появлением Нины, но всё же разрешает ей выступать.

В первом акте Нина выпадает из рук партнёра. Тома кричит, чтобы она взяла себя в руки. Нина входит в гримёрку и видит там Лили, которая надела на себя костюм чёрного лебедя. Лили говорит Нине, что та не сможет справиться с ролью, так как провалила даже первый акт. Нина и Лили начинают драться. В ходе драки Нина толкает Лили на большое стенное зеркало, которое разбивается, хватает осколок зеркала и вонзает его в живот Лили.

Спрятав тело Лили в ванной комнате, Нина выходит на сцену. Она танцует раскованно и страстно. Её глаза похожи на лебединые, во время танца на её теле вырастают лебединые крылья. Весь зал аплодирует стоя. Из зала видно, что никаких крыльев у Нины нет, но они есть у её тени на стене. Нина направляется в гримёрку переодеться для последнего акта. Вдруг к ней в дверь кто-то стучит. На пороге стоит Лили, поздравляющая Нину с блестящей игрой. Нина открывает дверь ванной комнаты и видит, что никакого трупа там нет. Она возвращается к зеркалу и видит, что оно действительно разбито. Внезапно Нина обнаруживает у себя в животе рану, в которой торчит осколок зеркала.

Превозмогая боль, Нина выходит доиграть последний акт. Её мать сидит в зале. В конце акта Нина спрыгивает с импровизированной скалы вниз на специально подготовленный матрас. Из зала слышатся овации. Тома бежит к Нине поздравить её со столь успешным дебютом. В этот момент все видят, что у Нины на платье расплылось кровавое пятно. Тома требует вызвать скорую, а сам спрашивает, что произошло. Нина отвечает: «Я испытала… совершенство. Я постигла его».