뉴욕 발레단에 소속된 니나(나탈리 포트만)는 전직 발레리나 출신인 엄마 에리카(바바라 허쉬)의 총애를 받으며 인생의 모든 것을 발레에 바치고 있다. 에리카는 니나를 최고의 발레리나를 만들기 위해 열광적으로 지지하는 한편, 끊임없이 채근한다.
한편, 예술 감독 토마스 리로이(뱅상 카셀)는 프리마돈나 베스(위노나 라이더)를 새로운 시즌의 오프닝 작품 ‘백조의 호수’에서 강판시키기로 결정, 니나를 제1후보로 올린다. 그리고 마침내, ‘백조’와 ‘흑조’라는 상반된 성격의 1인 2역을 연기해야 하는 ‘백조의 호수’의 프리 마돈나로 발탁된 니나. 하지만, 순수하고 나약한 ‘백조’ 연기는 완벽하게 소화해내지만 관능적이고 도발적인 ‘흑조’를 연기하는 데에는 어딘지 불안한 니나. 게다가 새로 입단한 릴리(밀라 쿠니스)는, 니나처럼 정교한 테크닉은 없지만, 무대를 압도하는 카리스마와 관능미로 은근히 비교 대상이 된다.
점차 스타덤에 대한 압박과 이 세상의 모두가 자신을 파괴할 것 같은 불안감에 사로잡히는 니나. 급기야 그녀의 성공을 열광적으로 지지하던 엄마마저 위협적인 존재로 돌변한 상황에서 그녀는 내면에 감춰진 어두운 면을 서서히 표출하기 시작하는데…
