Nightmare Alley menghadirkan deretan bintang kelas atas seperti Bradley Cooper, Cate Blanchett, Rooney Mara, Toni Collette, Willem Dafoe, Ron Perlman, Richard Jenkins, Mary Steenburgen, hingga David Strathairn. Film ini membawa KLovers masuk ke dalam dunia karnaval tahun 1930-an yang penuh tipu daya, psikologi gelap dan manipulasi.

Cerita dimulai pada tahun 1939, ketika Stan Carlisle terlihat sedang menyembunyikan mayat di bawah lantai sebuah rumah reyot sebelum membakarnya. Dari sinilah aura misterius Stan mulai terasa. Malam itu, Stan berjalan tanpa tujuan dan akhirnya sampai ke sebuah karnaval keliling. Di sana dia menyaksikan geek show yang mengerikan, di mana seorang pria tak waras memakan ayam hidup-hidup. Dunia kelam karnaval langsung menyeret Stan, terutama setelah ia bertemu strongman karnaval yang kemudian memberinya pekerjaan sementara.

Kesan pertama Stan ternyata cukup kuat. Clem, pemilik karnaval, melihat potensi padanya dan meyakinkan Stan untuk tinggal lebih lama. Stan pun mulai bekerja bersama Madame Zeena, seorang peramal terkenal di karnaval, dan suaminya yang pemabuk, Pete. Zeena dan Pete tampil sebagai duo clairvoyant, menggunakan trik psikologis dan kode rahasia untuk menipu penonton. Di dunia karnaval ini, Stan mulai belajar bahwa ilusi bisa mengalahkan realitas jika dimainkan dengan benar.

Sembari bekerja, Stan jatuh hati pada Molly, seorang performer muda dengan tato listrik. Stan memintanya pergi dari karnaval bersama, tapi Molly menolak karena belum siap meninggalkan kehidupan yang ia kenal. Namun, hubungan mereka tetap berkembang pelan-pelan. Pete dan Zeena melihat potensi besar dalam diri Stan dan mulai mengajarinya bahasa kode serta teknik cold reading, trik membaca pikiran yang bisa mengelabui siapa saja. Namun mereka memberikan satu peringatan keras: jangan pernah berpura- pura bisa berbicara dengan orang mati, karena itu akan membawa bencana.

Di balik panggung karnaval yang berwarna, Stan melihat sisi gelap yang lebih dalam. Clem punya cara kejam untuk menciptakan geeks. Ia mempekerjakan para pecandu alkohol yang sudah hilang arah, lalu memberi mereka minuman berisi opium hingga mereka tak bisa kabur. Stan mulai paham bahwa dunia karnaval ternyata tak jauh berbeda dari jebakan hidup yang ia coba tinggalkan.

Suatu malam, Pete meminta alkohol kepada Stan. Pagi berikutnya, Pete ditemukan tewas. Kejadian ini mengguncang Stan, tapi juga memaksanya untuk melangkah lebih jauh menggunakan skill yang baru ia pelajari.

Ketika polisi melakukan penggerebekan setelah mendengar kabar tentang geek show, Stan berhasil menyelamatkan seluruh karnaval dengan menggunakan kemampuan cold reading-nya untuk memanipulasi sheriff. Aksi itu sekaligus memperkuat reputasinya. Tak lama setelah kejadian itu, Molly akhirnya setuju keluar dari karnaval bersama Stan.

Dua tahun kemudian, Stan dan Molly menjalankan pertunjukan psychic kelas atas di Buffalo. Mereka tampil untuk para elit kaya, dan Stan sudah menjadi mentalist profesional yang sangat meyakinkan. Tapi hubungan Stan dan Molly mulai retak karena Stan semakin menuntut kesempurnaan dan terobsesi mengejar pengakuan.

Masalah muncul ketika Dr. Lilith Ritter, seorang psikolog tajam dan manipulatif, mencoba membongkar trik Stan di atas panggung. Stan berhasil membalikkan keadaan dan mempermalukan Ritter dengan kelihaiannya membaca pikiran. Dari momen itu, pertarungan psikologis mereka dimulai.

Usai pertunjukan, Ritter mendampingi Judge Kimball, yang meminta Stan membantunya dan sang istri berkomunikasi dengan anak mereka yang telah meninggal. Stan setuju meski Molly merasa itu sudah melampaui batas aman seorang performer.

Stan kemudian bertemu Ritter secara pribadi untuk membeli informasi tentang Kimball. Ritter setuju, tapi meminta Stan mengikuti sesi terapi sebagai pembayaran. Pertukaran kepentingan ini membuat hubungan mereka semakin rumit. Di sisi lain, Molly mengundang Zeena dan teman-teman lama ke hotel untuk pesta mendadak. Zeena memperingatkan Stan agar tak menerima permintaan Kimball, setelah membaca tarot yang menunjukkan bahaya.

Stan tetap nekad dan berhasil membuat Kimball dan istrinya percaya, lalu mendapat bayaran besar. Ritter membantu menyembunyikan uang itu dari Molly, dan secara perlahan menggiring Stan semakin jauh ke zona berbahaya. Kimball kemudian menawarkan Stan untuk bertemu Ezra Grindle, seorang industrialis superkaya. Ritter setengah-setengah memberikan data Grindle, tapi Stan mencuri sisanya dari rekamannya.

Dari situlah Stan tahu bahwa Grindle adalah pria keji yang memaksa seorang wanita muda bernama Dorrie untuk melakukan aborsi yang berujung maut. Saat Stan menciptakan ilusi spiritual yang meyakinkan Grindle, ia justru jatuh ke dalam affair dengan Ritter dan mulai minum, kebiasaan yang dulu ia hindari.

Grindle semakin tergila-gila dan menuntut Stan memunculkan arwah Dorrie secara fisik. Terpaksa, Stan meminta Molly berperan sebagai Dorrie. Molly setuju, tapi mengatakan ia akan pergi setelah itu.

Di hari pertunjukan besar, kabar buruk datang: istri Judge Kimball membunuh suaminya lalu bunuh diri agar bisa 'bersatu kembali dengan anak mereka' setelah terinspirasi pembacaan Stan. Tidak ada jalan kembali bagi Stan.

Di malam yang sama, Grindle mengakui bahwa selain Dorrie, ia telah menyakiti banyak wanita lain. Molly masuk sebagai Dorrie, tapi penyamarannya terbongkar saat Grindle memeluknya. Grindle marah besar, memukul Molly, dan Stan membunuhnya dalam amarah. Molly tidak tahan lagi dan meninggalkan Stan.

Putus asa, Stan kembali ke kantor Ritter untuk mengambil semua uang yang ia simpan. Ritter mengungkap bahwa ia telah memanipulasi Stan sejak awal dan memberikan hanya sedikit dari total tabungannya. Stan menyerangnya, namun ia harus kabur sebelum penjaga keamanan tiba. Kilas balik memperlihatkan bahwa Stan dulu membunuh ayahnya sendiri dengan membiarkannya kedinginan sebelum membakar rumah, akar kegelapan yang selama ini ia sembunyikan.

Bertahun-tahun kemudian, Stan menjadi gelandangan dan pecandu alkohol, benar-benar kehilangan segalanya. Ia melihat iklan Madame Zeena di koran, dan memorinya kembali ke masa ketika segalanya masih terkendali. Stan mendekati karnaval baru untuk mencari pekerjaan, namun ditolak. Pemilik karnaval malah menawarkan posisi geek, pekerjaan paling hina di karnaval. Tertawa sambil menangis, Stan akhirnya menerima, mengatakan, 'I was born for it.'

Dan lingkaran hidupnya pun kembali ke titik paling rendah.