Мари Лоран, молодой врач, получает предложение поступить на работу в лабораторию профессора Керна. Кабинет, в котором Керн принимает её, производит весьма мрачное впечатление. Но куда более мрачным оказывается посещение лаборатории: там Мари видит отделённую от туловища человеческую голову. Голова укреплена на квадратной стеклянной доске, от неё к различным баллонам и цилиндрам идут трубки. Голова разительно напоминает Мари недавно умершего профессора Доуэля, известного учёного-хирурга. Это и в самом деле его голова. По словам Керна, ему удалось «воскресить» только голову Доуэля, страдавшего неизлечимым недугом. («Я бы предпочла смерть такому воскресению», — реагирует на это Мари Лоран.)

Мари поступает работать в лабораторию Керна. В её обязанности входит следить за состоянием головы, которая «слышит, понимает и может отвечать мимикой лица». Кроме того, Мари ежедневно приносит голове ворох медицинских журналов, и они вместе их «просматривают». Между головой и Мари устанавливается некое подобие общения, и однажды голова профессора Доуэля взглядом просит девушку отвернуть кран на трубке, подведённой к его горлу (Керн строго запретил Мари трогать кран, сказав, что это приведёт к немедленной смерти головы). Голове удаётся объяснить Мари: этого не случится. Девушка колеблется, но в конце концов исполняет просьбу и слышит шипение и слабый надтреснутый голос — голова может говорить! В тайных беседах Мари Лоран и головы профессора выясняются чудовищные подробности оживления.

Керн был ассистентом профессора. Он талантливый хирург. Во время их совместной работы с профессором Доуэлем случился припадок астмы, и, очнувшись, он увидел, что лишился тела. Керну было необходимо сохранить действующим мозг профессора, чтобы продолжать исследования. Доуэль отказывался сотрудничать с ним, хотя Керн и заставлял его самыми грубыми методами (пропуская через голову профессора электрический ток, примешивая к питательным растворам раздражающие вещества). Но когда Керн, проводя опыты на глазах у головы, сделал несколько ошибок, которые могли погубить результаты их усилий, профессор Доуэль не выдержал и согласился продолжать работу.

С помощью Доуэля Керн оживляет ещё две головы, мужскую и женскую (Тома Буш, рабочий, попавший под автомобиль, и Брике, певичка из бара, получившая предназначавшуюся не ей пулю). Операция проходит успешно, но головы Тома и Брике, в отличие от Доуэля, не привыкшие к интеллектуальной деятельности, томятся без тела. У Мари Лоран прибавляется работы. Она не только следит за состоянием всех трёх голов, но ещё показывает Тома и Брике фильмы, включает им музыку. Но всё напоминает им прежнюю жизнь и только расстраивает их. Настойчивой Брике удаётся уговорить Керна попробовать пришить ей новое тело. Тем временем Керн узнает о беседах Мари и головы профессора Доуэля. Девушка готова разоблачить его, поведав всему миру его страшную тайну, и Керн запрещает Мари возвращаться домой. Мари пробует протестовать. Керн на её глазах отключает один из кранов, лишая воздуха голову Доуэля. Мари соглашается на его условия, и лаборатория становится её тюрьмой.

На месте железнодорожной катастрофы Керн находит подходящее для Брике тело и похищает его. Приживление проходит удачно. Вскоре Брике разрешают говорить. Она пробует петь, при этом обнаруживается некая странность: в верхнем регистре голос Брике довольно писклив и не очень приятен, а в нижнем у неё оказывается превосходное грудное контральто. Мари просматривает газеты, чтобы понять, кому принадлежало это молодое, изящное тело, доставшееся теперь Брике. Ей на глаза попадается заметка, что труп известной итальянской артистки Анжелики Гай, следовавшей в поезде, потерпевшем крушение, исчез бесследно. Брике разрешают встать, она начинает ходить, порою в жестах её заметна удивительная грация. Брике воюет с Керном: она хочет вернуться домой и предстать перед своими друзьями в новом обличье, но в намерения хирурга не входит отпускать её из лаборатории. Поняв это, Брике бежит, спустившись со второго этажа по связанным простыням. Она не раскрывает друзьям тайны своего возвращения. Брике вместе со своей подругой Рыжей Мартой и её мужем Жаном (взломщиком сейфов) уезжают вместе, чтобы скрыться от возможного преследования полиции. Жан заинтересован в этом не меньше, чем Брике.

Они оказываются на одном из пляжей Средиземного моря, где случайно встречаются с Арманом Ларе, художником, и Артуром Доуэлем, сыном профессора. Арман Ларе не может забыть Анжелику Гай, он был «не только поклонником таланта певицы, но и её другом, её рыцарем». Ларе острым взглядом художника улавливает сходство незнакомой молодой женщины с пропавшей певицей: фигура её «похожа как две капли воды на фигуру Анжелики Гай». У неё та же родинка на плече, что у Анжелики, те же жесты, Арман Ларе и Артур Доуэль решают выяснить тайну. Ларе приглашает незнакомку и её друзей совершить прогулку на яхте и там, оставшись наедине с Брике, заставляет её рассказать свою историю. Она без утайки отвечает на расспросы сначала Ларе, потом Артура Доуэля. Когда Брике упоминает находившуюся в лаборатории третью голову, Артур догадывается, о ком идёт речь. Он показывает Брике фотографию своего отца, и она подтверждает его догадку. Друзья увозят Брике в Париж, чтобы с её помощью разыскать голову профессора Доуэля. Арман Ларе находится в некотором смятении: он чувствует симпатию — а может, и нечто большее — к Брике, но не может понять, что именно его привлекает, тело Анжелики или личность самой Брике. Брике ощущает, что в её жизнь певички из бара вошло что-то совсем новое.

Совершается чудо «перевоплощения» — чистое тело Анжелики Гай не только омолаживает голову Брике, оно изменяет ход её мыслей. Но маленькая ранка, что была на ступне у Анжелики, вдруг даёт о себе знать: у Брике начинает болеть, краснеет и опухает нога. Ларе и Доуэль хотят показать Брике врачам, но она возражает против этого, боясь, что вся её история будет предана огласке. Доверяя только Керну, Брике тайком едет к нему в лабораторию. Тем временем Доуэль, разыскивая Мари Лоран, узнает, что девушку заточили в больницу для душевнобольных.

Пока друзья с трудом освобождают Мари, Керн безуспешно пытается спасти ногу Брике. В конце концов он вынужден вновь отделить голову Брике от туловища. Керн, понимая, что таить впредь его опыты невозможно, демонстрирует публике живую голову Брике (голова Тома к этому времени погибает). Во время этой демонстрации Мари Лоран, пылая гневом и ненавистью, обличает Керна как убийцу и вора, присвоившего чужие труды. Чтобы скрыть следы преступления, Керн при помощи парафиновых инъекций изменяет вид головы профессора Доуэля. Артур Доуэль, явившись к начальнику полиции, просит произвести обыск у Керна. Сам же он, вместе с Мари Лоран и Арманом Ларе, присутствует при этом. Они видят последние минуты головы профессора Доуэля. Полицейские собираются допросить Керна. Керн направляется в свой кабинет, и вскоре оттуда доносится выстрел.