在五周年结婚纪念日的清晨，本·阿弗莱克饰演的尼克来到姐姐的酒馆，抱怨那个曾经彼此恩爱缠绵的妻子艾米以及全然看不见希望的婚姻，帅气的外表也难以掩藏他颓废又窝囊的气质。
艾米父母是著名作家，将她人生中的每个阶段都著书出版，她做不到、完不成的事情，书里“神奇的艾米”都能一一替她完成。虽然并不“神奇”，但艾米的人生也算对得上顺风顺水：哈佛文学学士，耶鲁心理学讲师，有自己的创作，再加上自己是知名作品主人公，艾米从小就有很多追求者和粉丝。
艾米与尼克相识于一次聚会，幽默风趣的尼克与艾米相谈甚欢，坠入爱河的两年后，他们步入婚姻的殿堂。婚后的艾米总是刻意去制造一些浪漫，包括每年结婚纪念日的寻宝活动。平淡的，世俗的婚姻不是她想要的生活，但随着热情浪漫渐渐消退，平淡生活中的种种矛盾开始突出。就这样，他们的婚姻来到了第五个年头。
尼克从酒吧回到家中，映入眼帘的是狼藉的屋子，妻子也不见了踪影。尼克报了警，在例行询问中，艾米的父母提到两个嫌疑人，一个是高中时被拒绝还不断纠缠艾米的富豪同学，另一个是曾因对艾米性暴力被起诉的大学男友。
探员搜索了尼克和艾米的家，发现了一封写着“线索一”的信，尼克解释说这是妻子热衷的寻宝游戏，他也按照信中线索带警方来到了自己大学的办公室，在这里果然找到了标着“线索二”的信封，但警方也发现了一条女士内裤，明显不是尼克妻子的。感觉有些不妙的尼克虽然参透了线索二的信息但仍佯装不知。
晚上尼克独自来到父亲原来居住的小屋，这里就是线索中的“棕色小屋”，尼克找到第三个信封时，突然警报声大作，再一次引来警察。尼克仍然选择隐瞒，并及时将第三封信藏了起来。但尼克也无法参透第三封信中的内容，线索就此中断。
剧情到此愈发紧凑和离奇，随着调查的进行，警察在厨房发现一处细微的血迹，在对厨房进行血迹检测后发现，厨房地板曾有大量血迹，血型和艾米相符，这也意味着案件性质将由失踪案转变为谋杀案。由于艾米身份的特殊，失踪事件被大肆报道，在为艾米举办的祈福活动中，一位孕妇邻居站出来称自己是艾米的密友，并称艾米已经怀孕六周，且尼克夫妻之间的关系相当恶劣。
群情激奋之下，尼克落荒而逃。随后尼克向探员解释自己完全不认识那个女人，而且艾米也并未怀孕。但探员向他展示了艾米与邻居的大量亲密合照，尼克哑口无言，但紧接着各种对尼克不利的证据如雪崩般袭来：尼克曾透支信用卡大量购买奢侈品；艾米的人寿保额大幅提高，而且是尼克签的字；艾米确实怀孕了，医院有她的怀孕报告。桩桩件件都指向尼克谋杀了自己的妻子，在媒体负面宣传和大家妄自揣测下，尼克沦为千夫所指，他感觉自己落入一张网中，这张网被织得密不透风，而且已经越收越紧了。随后尼克在自己姐姐家仓库中发现了信用卡购买记录中显示，自己却从没见过的奢侈品。在这些物品中，他发现了一个潘趣先生的木偶，故事中的潘趣先生杀死了自己的妻子，而自己也即将背负这一罪名。
此时电影转向了另一条故事线，随着婚后热情衰退，矛盾的突出，艾米渐渐觉得自己在沦为“泄欲工具，恍如一块破布般随时可以丢掉”，她不允许自己的婚姻变得和其他失败的婚姻一样，丈夫的平庸和出轨打破了她对美满婚姻的最后一丝幻想。而她也开始了自己漫长的布局：
瞒着丈夫找一个孕妇做自己的闺蜜，并采集她的尿液伪造怀孕报告；
让丈夫不经意时签下自己的人寿保单；
以丈夫的名义购买大量奢侈品；
抽出大量血液伪造罪案现场，再全部擦掉只留下一丝；
最后也是最可怕的，是花费漫长的时间来伪造一本日记，记录和尼克的爱情故事：从童话般的初遇，到尼克花天酒地不思进取，再后来对自己虐待施暴，自己时时刻刻活在害怕尼克中，并担心尼克会杀了自己。最后烧掉它，烧的要恰到好处，既不能影响阅读，又不能过于刻意。最后藏在棕色小屋，并修改了棕色小屋的报警密码，确保警方能找得到。
接下来她离开家，染发自残、隐姓埋名、上网发匿名信指证尼克，一切都在按照她的计划稳步进行不出意外尼克就会被指控谋杀。然而艾米因不小心露出财产而被抢劫，无奈之下她打电话给一直追求自己的富豪， 谎称自己被尼克虐待威胁而逃出，声称富豪一直是她精神支柱，富豪欣然答应保护艾米，并将其带回自己家中。
尼克找到专门处理这类案子的律师应对，律师建议他在偷情出轨等事件曝光之前，先一步在电视节目中坦白一切，他会被憎恨被谩骂，但随之而来的就是信任和同情了。屋漏偏逢连夜雨，就在尼克准备上台时，尼克的情人先一步上媒体袒露了自己与尼克关系。律师称情况有变，让尼克终止采访，但尼克执意继续进行，在采访中尼克坦诚认错，称“自己不是个好人，但没有杀妻子，希望妻子回来。”这一席话与其说是说给公众听，更像是在说给艾米。节目的播出扭转了自己的不利，博得大众的同情。更重要的是，艾米也在电视上看到这一幕。
艾米从小就在配合父母向外界扮演那个“了不起的艾米”，她早就习惯了真真假假的生活，角色扮演已经有如呼吸一样与她融为一体。在与尼克一见钟情之后，她愿意扮演尼克心中的完美爱人。但当他们的感情逐渐脱轨，艾米为自己精心披上的外皮也随着变质的婚姻一同腐朽脱落，她也露出了自己的本来面目，一个神经质的控制狂。艾米扭曲的性格与她的成长环境有很大的关系，所有人，包括她的父母，关注的都是那个“神奇艾米”。而相比书中的神奇艾米，尼克更爱的是现实中的自己，这也是她愿意为尼克扮演另一个自己的原因，从某种意义上说，尼克确实杀了他的妻子，他的颓废和出轨杀死了那个艾米精心营造的角色，也释放出了其下掩藏的骇人恶兽。
电视上的尼克真诚而深情，他声泪俱下的卖力表演，两人隔着屏幕但却都心知肚明，这一切显得是如此滑稽。但是，艾米买账了，她愿意重新披上外皮扮演尼克的爱人，即使知道尼克不过是为了骗她回去，她愿意和尼克继续这个互相假装的游戏。尼克是因为走投无路下的妥协，而艾米是因为疯狂而又扭曲的爱。
接下来艾米故技重施，伪造了被富豪绑架虐待性侵的证据，并在床上杀死了对方。带着满身的血迹回到丈夫的身边。死去的富豪背负了一切的罪名，虽然细细推敲下案件有不少漏洞，但是人们只会相信他们愿意相信的，而“神奇艾米”的奇迹般回归显然是人们更乐于看到的。于是在关键证据充足、艾米完美的人物形象以及一边倒的媒体与大众舆论下，警察也选择了草草结案。
在淋浴间，浑身赤裸的两人相对而立，确保尼克无法录音后，艾米平静的承认了她所做的的一切，这一切的罪行就好像她身上的血迹一样流入下水道，再也无人知晓。而尼克需要继续扮演电视上的完美丈夫，一旦他想要离开艾米就会落得身败名裂。他已经被艾米用阴谋紧紧套牢，再也无法离开她了。生活又回到了故事开始之前的平静，但是曾经的爱已荡然无存，剩下的只有无尽的痛苦、猜忌与折磨。
“你在想什么？”
“你感觉如何？”
“我们对彼此做了什么？”
