雏鸟长成亭亭玉立的天鹅，需要忍受浑身插满羽毛的痛苦；而一个人要想蜕变，须得突破现实的束缚。生活在父母过分呵护和控制下的孩子，他或她的蜕变，必然会造成与父母的决裂，甚至血腥的暴力与自残也是不可或缺的成长方式。
妮娜是一名二十多岁的芭蕾舞演员，当时芭蕾舞团的知名”大花'”贝斯已经青春不再，所以剧院里每个年轻姑娘都有取代大花红极一时的机会。
而新来的芭蕾舞导师托马斯是个生性风流，很有魅力与眼光的成年男性，他想选拔出一名舞员担任剧院里《天鹅湖》的主演，条件是该舞员可以驾驭剧中分别象征“邪魅”与“纯洁”黑白二色的两只天鹅，而大家清楚，他所选出的女主角即将成为整个芭蕾舞圈的明日之星。
舞蹈剧《天鹅湖》讲述了一名女孩变成了善良的白天鹅，只有获得王子的真爱才可以打破魔咒变回人类;但邪恶的黑天鹅却魅惑了王子，失望的白天鹅跳下悬崖自我解脱。
自卑胆怯的妮娜身上具有白天鹅纯洁善良的品质，就连托马斯看到她面试时的物资时，也赞叹她是最适合白天鹅的演员。可惜，作为完美主义者的妮娜，其规矩的舞蹈动作却无法体现出黑天鹅的放纵和邪魅，因而被托马斯宣判落选。
但怯弱的妮娜不肯就这么罢休，她涂抹着从贝斯那儿偷来的口红，来到托马斯的办公室，请求导师再给她一次机会。
抹口红是人物刻画的重点，一直不施粉黛的妮娜却悉心打扮了一番私下会面导师，说明她潜意识里“希望拿下这个角色，哪怕出卖色相也在所不惜”。导师看出了妮娜的野心，便顺势在办公室中和她接吻。而面对导师的调情，妮娜如受到惊吓的小手，咬伤了托马斯嘴唇，慌乱逃离了办公室。
原本托马斯已经定下了出演《天鹅湖》的女主，但刚刚妮娜的举动，让他看出了妮娜纯真如小女孩的气质下，藏匿着黑天鹅的秉性。所以他最终定下由妮娜出演《天鹅湖》的黑天鹅与白天鹅。
得知自己入选的妮娜，在公共洗手间激动地向母亲宣布这一消息；等到她走出洗手间，才发现有人在外面的镜子上写下了“whore”这个表达荡妇羞辱的词汇。
妮娜的母亲年轻时也是名芭蕾舞演员，从她的话语中我们得知，她在年轻的时候和男人偷食禁果而怀孕，在生下妮娜后因为美貌不再，名声事业被毁，不得不离开舞团。
她将遗落的芭蕾舞梦想寄托到女儿妮娜身上，给予了妮娜太多的压力，也潜移默化中克制着女儿发展为一名成熟独立的女人。电影中，我们可以观察到妮娜的房间有与她年纪不符的布娃娃和粉色的墙壁，母亲还以自责的方式逼迫女儿吃不喜欢的蛋糕，这些都彰显出妮娜的母亲对妮娜生活的把控和压制。
在排练的日子里，妮娜认识了新来的舞员莉莉。莉莉身上散发着黑天鹅的气息，熟练自在的舞姿让妮娜忌惮。妮娜害怕她会像自己取代贝斯一样，被莉莉所取代。
妮娜黑天鹅的舞蹈始终不让托马斯满意，她的压力越来越大，一些离奇的幻觉也随之产生。她时而看见自己的指甲流淌鲜血，但清醒过后却发现自己毫发无损。
托马斯让妮娜在家中进行自我安慰，通过生理上的经历感悟出黑天鹅的魅惑。一次，女主在浴缸中淹没自全身，双手拨弄着生理上的快感，但没过多久她却看见另一个自己如鬼魂般浮空在水面之上，鲜血一滴滴浸染泡澡的水。即使事后她发现一切皆为幻觉，却仍然心有余悸。
退出舞蹈圈的贝斯遭受到车祸，失去了舞者最宝贵的双腿。妮娜再次遭受打击，她认为是自己造成了贝斯的悲剧。
家中，妮娜与母亲的关系逐渐恶化。母亲没有了最初得知妮娜获选时的喜悦，她开始在房间里画一幅幅风格古怪的自画像；妮娜可以感受到母亲有意无意的嫉妒，而妮娜本人在舞蹈中逐渐脱离了单纯少女的格调，她成熟的“黑天鹅”人格在一点点释放。
舞蹈房内，莉莉对妮娜莫名关心;而妮娜却总对莉莉怀抱着敌意。一天夜里，和母亲争执的妮娜，应莉莉的邀请去酒吧循环作乐。在药物的刺激下，妮娜梦见了自己与莉莉在夜晚云雨了一番。
《天鹅湖》正式上演前夕，妮娜似乎渐入佳境，其舞蹈姿势还得到了托马斯竖大拇指赞赏。但在众人走出练舞房后，妮娜独自训练，她隐藏着的压力也达到了峰值。幻觉中，镜子里的自己与她本人动作不一，在漆黑夜色下，她恍惚目睹了托马斯与莉莉在行不轨之事。
当天，妮娜已经分不清虚幻与现实。母亲看似关心实则嫉妒地阻止妮娜去演出，更加深了妮娜的痛苦。妮娜终于情绪爆发，把母亲的手夹坏，把自己关在房间。幻觉中，她看见后背长出了黑色羽毛，自己的双腿弯曲成鸟类的形状。
清醒后的妮娜来到剧院后台，坚定地对导师承诺“我可以演”。但正式演出时，幻觉让妮娜心不在蔫，在白天鹅与王子共舞的一幕犯下了低级错误。
绝望的妮娜回到化妆间，她惊讶地发现莉莉正坐在她的位子上，已经浓妆艳抹做了黑天鹅的打扮。愤怒到极点的妮娜并没有发觉眼前的莉莉并不是本人。她双眼通红，将“莉莉”推倒在地，大喊着“轮到我了，我才是天鹅女王！”，并用镜子的碎片刺入“莉莉”的腹部，杀死了她。
杀死“莉莉”后，白天鹅状态的妮娜黑化成了野性奔放的黑天鹅。华丽艳丽的妆容下，妮娜翩翩起舞，身体如天鹅般柔软。幻觉也变得优美起来，妮娜想象着自己的双臂长出了漆黑的羽毛，她正在扇动翅膀于舞台盘旋，一颦一笑极致魅惑，犹如戏弄人间的魔女。
扮演黑天鹅的妮娜赢得了众人的喝彩，甚至连莉莉也到化妆间为妮娜道喜。看着鲜活的莉莉，妮娜不知所措。直到她打开藏着之前“莉莉”的洗手间，才发现自己幻想出的“莉莉”其实是她的第二人格，洗手间空无一物，被杀死的其实她自己。
这时候，妮娜才感到剧痛，原来刺入“莉莉”的镜子碎片正插在自己的腹部。忍住疼痛，妮娜振作起来，把碎片取出，重新回到白天鹅的状态，上演《天鹅湖》最后一幕：白天鹅之死。
《黑天鹅》最后留了一个开放式的结局：演出完白天鹅之死后，坠落在舞台上的妮娜腹部满身鲜血，她感受到了演出的完美，含着微笑闭上了双眼。那么她最后是陷入了昏厥还是死亡呢？