Nina Sayers (Natalie Portman) é bailarina de uma companhia novaiorquina de balé. Sua vida, como a de todos nessa profissão, é inteiramente consumida pela dança. Ela mora com a mãe, Erica (Barbara Hershey), bailarina aposentada que incentiva a ambição profissional da filha. O diretor artístico da companhia, Thomas Leroy (Vincent Cassel), decide substituir a bailarina principal, Beth MacIntyre (Winona Ryder), na apresentação de abertura da temporada, O Lago dos Cisnes, e Nina é sua primeira escolha. Mas surge uma concorrente: a nova bailarina, Lily (Mila Kunis), que deixa Thomas impressionado.

O Lago dos Cisnes requer uma bailarina capaz de interpretar tanto o Cisne Branco com inocência e graça, quanto o Cisne Negro, que representa malícia e sensualidade. Nina se encaixa perfeitamente no papel do Cisne Branco, porém Lily é a própria personificação do Cisne Negro. As duas desenvolvem uma amizade conflituosa, repleta de rivalidade, e Nina começa a entrar em contato com seu lado mais sombrio, mexendo com seu psicológico.