Марі Лоран, молодий лікар, отримує пропозицію влаштуватися на роботу в лабораторію професора Керна. Кабінет, в якому Керн приймає її, справляє дуже похмуре враження. Але куди більш похмурим виявляється відвідування лабораторії: там Марі бачить відокремлену від тулуба людську голову. Голова укріплена на квадратної скляній дошці, від неї до різних балонів і циліндрів йдуть трубки. Голова разюче нагадує Марі недавно померлого професора Доуеля, відомого вченого-хірурга. Це і справді його голова. За словами Керна, йому вдалося «воскресити» тільки голову Доуеля, який страждав невиліковною недугою. ( «Я б вважала за краще смерть такого воскресінню», - реагує на це Марі Лоран.)
Марі надходить працювати в лабораторію Керна. В її обов'язки входить стежити за станом голови, яка «чує, розуміє і може відповідати мімікою обличчя». Крім того, Марі щодня приносить голові купу медичних журналів, і вони разом їх «переглядають». Між головою і Марі встановлюється якусь подобу спілкування, і одного разу голова професора Доуеля поглядом просить дівчину відвернути кран на трубці, підведений до його горла (Керн суворо заборонив Марі чіпати кран, сказавши, що це призведе до негайної смерті голови). Голові вдається пояснити Марі: цього не станеться. Дівчина вагається, але врешті-решт виконує прохання і чує шипіння і слабкий надтріснутий голос - голова може говорити! В таємних бесідах Марі Лоран і голови професора з'ясовуються жахливі подробиці пожвавлення.
Керн був асистентом професора. Він талановитий хірург. Під час їхньої спільної роботи з професором Доуеля трапився напад астми, і, прийшовши до тями, він побачив, що позбувся тіла. Керну було необхідно зберегти чинним мозок професора, щоб продовжувати дослідження. Доуеля відмовлявся співпрацювати з ним, хоча Керн і змушував його самими грубими методами (пропускаючи через голову професора електричний струм, домішуючи до живильних розчинів дратівливі речовини). Але коли Керн, проводячи досліди на очах у голови, зробив кілька помилок, які могли погубити результати їх зусиль, професор Доуеля не витримав і погодився продовжувати роботу.
За допомогою Доуеля Керн оживляє ще дві голови, чоловічу і жіночу (Тома Буш, робочий, який потрапив під автомобіль, і Брік, співачка з бару, що отримала призначалася не їй кулю). Операція проходить успішно, але голови Тома і Брік, на відміну від Доуеля, які не звикли до інтелектуальної діяльності, нудяться без тіла. У Марі Лоран додається роботи. Вона не тільки стежить за станом усіх трьох голів, але ще показує Тома і Брік фільми, включає ним музику. Але все нагадує їм колишню життя і тільки засмучує їх. Наполегливій Брике вдається вмовити Керна спробувати пришити їй нове тіло. Тим часом Керн дізнається про бесіди Марі і голови професора Доуеля. Дівчина готова викрити його, повідавши всьому світу його страшну таємницю, і Керн забороняє Марі повертатися додому. Марі намагається протестувати. Керн на її очах відключає один з кранів, позбавляючи повітря голову Доуеля. Марі погоджується на його умови, і лабораторія стає її в'язницею.
На місці залізничної катастрофи Керн знаходить відповідне для Брике тіло і викрадає його. Приживлення проходить вдало. Незабаром Брике дозволяють говорити. Вона пробує співати, при цьому виявляється якась дивина: у верхньому регістрі голос Брік досить пискля і не дуже приємний, а в нижньому у неї виявляється чудове грудне контральто. Марі переглядає газети, щоб зрозуміти, кому належало це молоде, витончене тіло, що дісталася тепер Брике. Їй на очі потрапляє замітка, що труп відомої італійської артистки Анжеліки Гай, що слідувала в поїзді, який зазнав аварії, зник безслідно. Брике дозволяють встати, вона починає ходити, часом в жестах її помітна дивовижна грація. Брике воює з Керн: вона хоче повернутися додому і постати перед своїми друзями в новому обличчі, але в наміри хірурга не входить відпускати її з лабораторії. Зрозумівши це, БРІК біжить, спустившись з другого поверху по зв'язаних простирадлах. Вона не розкриває друзям таємниці свого повернення. Брике разом зі своєю подругою Рудої Мартою і її чоловіком Жаном (зломщиком сейфів) виїжджають разом, щоб сховатися від можливого переслідування поліції. Жан зацікавлений в цьому не менше, ніж Брике.
Вони виявляються на одному з пляжів Середземного моря, де випадково зустрічаються з Арманом Ларі, художником, і Артуром Доуеля, сином професора. Арман Ларі не може забути Анжеліку Гай, він був «не тільки шанувальником таланту співачки, але і її другом, її лицарем». Ларі гострим поглядом художника уловлює схожість незнайомій молодої жінки з зниклої співачкою: фігура її «схожа як дві краплі води на фігуру Анжеліки Гай». У неї та ж родимка на плечі, що у Анжеліки, ті ж жести, Арман Ларі і Артур Доуеля вирішують з'ясувати таємницю. Ларі запрошує незнайомку і її друзів здійснити прогулянку на яхті і там, залишившись наодинці з Брике, змушує її розповісти свою історію. Вона нічого не приховуючи відповідає на розпитування спочатку Ларі, потім Артура Доуеля. Коли Брике згадує знаходилася в лабораторії третю голову, Артур здогадується, про кого йде мова. Він показує Брике фотографію свого батька, і вона підтверджує його здогад. Друзі відвезли Брике в Париж, щоб з її допомогою розшукати голову професора Доуеля. Арман Ларі знаходиться в деякому сум'ятті: він відчуває симпатію - а може, і щось більше - до Брике, але не може зрозуміти, що саме його приваблює, тіло Анжеліки або особистість самої Брике. Брике відчуває, що в її життя співачки з бару увійшло щось зовсім нове.
Здійснюється диво «перевтілення» - чисте тіло Анжеліки Гай не тільки омолоджує голову Брік, воно змінює хід її думок. Але маленька ранка, що була на ступні у Анжеліки, раптом дає про себе знати: у Брике починає хворіти, червоніє і опухає нога. Ларі і Доуеля хочуть показати Брике лікарям, але вона заперечує проти цього, боячись, що вся її історія буде розголошена. Довіряючи тільки Керну, Брике потайки їде до нього в лабораторію. Тим часом Доуеля, розшукуючи Марі Лоран, дізнається, що дівчину ув'язнили в лікарню для душевнохворих.
Поки друзі насилу звільняють Марі, Керн безуспішно намагається врятувати ногу Брике. Врешті-решт він змушений знову відокремити голову Бріке від тулуба. Керн, розуміючи, що таїти надалі його досліди неможливо, демонструє публіці живу голову Бріке (голова Тома до цього часу гине). Під час цієї демонстрації Марі Лоран, палаючи гнівом і ненавистю, викриває Керна як вбивцю і злодія, який привласнив чужі праці. Щоб приховати сліди злочину, Керн за допомогою парафінових ін'єкцій змінює вид голови професора Доуеля. Артур Доуеля, з'явившись до начальника поліції, просить провести обшук у Керна. Сам же він, разом з Марі Лоран і Арманом Ларі, присутній при цьому. Вони бачать останні хвилини голови професора Доуеля. Поліцейські збираються допитати Керна. Керн направляється до свого кабінету, і незабаром звідти доноситься постріл.