Мари Лоран, молодой врач, получает предложение поступить на рабо­ту в лабораторию профессора Керна. Кабинет, в котором Керн при­нимает ее, производит весьма мрачное впечатление. Но куда более мрачным оказывается посещение лаборатории: там Мари видит отде­ленную от туловища человеческую голову. Голова укреплена на квад­ратной стеклянной доске, от нее к различным баллонам и цилиндрам идут трубки. Голова разительно напоминает Мари недавно умершего профессора Доуэля, известного ученого-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 Доран.) Мари по­ступает работать в лабораторию Керна. В ее 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, подведенной к его горлу (Керн строго запретил Мари трогать кран, сказав, что это приведет к немедленной смерти головы). Голове удается объяснить Мари: этою 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 еще 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 трех голов, но еще показывает Тома и Брике фильмы, включает им музы­ку. Но все напоминает им прежнюю жизнь и только расстраивает их. Настойчивой Брике удается 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 ее глазах отклю­чает один из кранов, лишая воздуха голову Доуэля. Мари соглашается на его условия, и лаборатория становится ее 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 нее 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 ее 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 ее 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 ее 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 Лоре не может забыть Анжелику Гай, он был «не только поклонником таланта певи­цы, но и ее другом, ее рыцарем». Ларе острым взглядом художника улавливает сходство незнакомой молодой женщины с пропавшей пе­вицей: фигура ее «похожа как две капли воды на фигуру Анжелики Гай». У нее та же родинка на плече, что у Анжелики, те же жесты, Арман Ларе и Артур Доуэль решают выяснить тайну. Ларе приглаша­ет незнакомку и ее друзей совершить прогулку на яхте и там, остав­шись наедине с Брике, заставляет ее 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 идет речь. Он показывает Брике фотографию своего отца, и она подтверждает его догадку. Друзья уво­зят Брике в Париж, чтобы с ее 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 ее жизнь певички из бара вошло что-то совсем новое. Совершается чудо «перевоплощения» — чистое тело Анжелики Гай не только омолаживает голову Брике, оно изменяет ход ее мыслей. Но маленькая ранка, что была на ступне у Анжелики, вдруг дает 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 ее 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 егоопыты 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.