Setelah pengejaran di atap yang berakhir dengan kematian rekan polisinya, detektif San Francisco John “Scottie” Ferguson pensiun karena menderita akrofobia dan vertigo yang disebabkan oleh insiden tersebut. Midge, mantan tunangannya, mengatakan bahwa satu-satunya cara untuk menyembuhkannya mungkin adalah melalui guncangan emosional yang parah. Midge masih menyimpan perasaan pada Scottie, namun ia tidak menanggapi isyarat kasih darinya.

Gavin Elster, seorang kenalan lama dari masa kuliah, meminta Scottie untuk membuntuti istrinya, Madeleine, karena ia mengklaim bahwa Madeleine berperilaku aneh. Scottie mengikuti Madeleine ke makam Carlotta Valdes (1831–1857) di Mission San Francisco de Asís dan ke museum seni Legion of Honor, tempat Madeleine menatap lukisan Portrait of Carlotta.

Seorang sejarawan lokal menjelaskan bahwa Carlotta Valdes bunuh diri: ia pernah menjadi simpanan seorang pria kaya yang telah menikah dan melahirkan anaknya, namun pria itu, yang tidak memiliki anak lain, mengambil anak tersebut dan meninggalkan Carlotta. Gavin khawatir bahwa arwah Carlotta sedang merasuki Madeleine — yang ternyata adalah buyut Carlotta. Namun, Madeleine tidak mengetahui hal itu dan tidak mengingat tempat-tempat yang ia kunjungi saat diduga kerasukan. Scottie membuntutinya hingga ke Fort Point dan menyelamatkannya setelah ia melompat ke Teluk San Francisco.

Keesokan harinya, Madeleine mampir untuk mengantarkan surat ucapan terima kasih kepada Scottie, dan mereka menghabiskan hari bersama. Mereka bepergian ke Muir Woods dan Cypress Point di 17-Mile Drive, di mana mereka saling berpelukan. Keesokan harinya, Madeleine menceritakan sebuah mimpi buruk, dan Scottie mengenali tempat dalam mimpinya sebagai Mission San Juan Bautista, tempat masa kecil Carlotta. Ia mengantar Madeleine ke sana, dan di sana mereka mengungkapkan cinta satu sama lain. Namun tiba-tiba, Madeleine berlari masuk ke gereja dan menaiki menara lonceng sambil memohon agar Scottie tidak mengikutinya. Scottie berusaha mengejar, tetapi terhenti di tangga karena ketakutannya akan ketinggian, dan hanya bisa menyaksikan Madeleine jatuh dari atas menara hingga tewas.