La historia comienza en 1917 con una actuación de la famosa niña Baby Jane (Jane Hudson) cantando en un espectáculo de vodevil la canción Le escribí una carta a papá. Tras una apariencia dulce y encantadora, se esconde una niña caprichosa. Jane tiene una hermana, Blanche, a la que el padre no dedica atención al no ser famosa. La madre de las niñas le promete a Blanche que va a tener su momento de gloria y que cuando llegue ese día no debe guardarles rencor a su hermana y a su padre y darles cariño.
La historia se adelanta a 1935, mientras que Jane al crecer fue olvidada por el público, Blanche ha logrado conseguir una exitosa carrera de actriz de cine. A pesar de todo, ella siguió el consejo de su madre y específica en su contrato la permanencia de su hermana en Hollywood, pero Jane con el tiempo no logra volver y culpa a Blanche por la ruina de su carrera, a pesar de que ella es la única persona que la ha querido ayudar. Ahí, en el punto más alto de su carrera, Blanche sufre un misterioso accidente automovilístico con el coche que le fue enviado el mismo día.
27 años después, una mujer madura inválida, Blanche, es cuidada por otra mujer madura alcohólica, Jane. Llevan viviendo en la misma mansión desde que el misterioso accidente que dejó a Blanche en silla de ruedas. Jane, bebe demasiado, por lo que Blanche le avisa a los repartidores que no le envíen más alcohol a su loca hermana. La sirvienta, Elvira, quien es la única que puede pasar por la casa y hablar con Blanche, le dice que su hermana ha escondido cartas de sus admiradores. En ese tiempo, daban películas de Blanche todos los días, provocando el enojo de Jane quien, entretanto, logra imitar la voz de su hermana en el teléfono para que le entreguen más envíos de alcohol, logra engañar a la gente y le pide una gran cantidad de bebidas, con lo que vuelve a enloquecer dejando "huir" al pájaro de Blanche mientras lavaba la jaula.
Blanche comienza a pensar en vender la casa y que ella y su hermana vivan en otro lugar, las acciones se les están terminando, y ya no pueden mantener la mansión; Elvira le advierte que debería buscar un loquero para Jane.
Esa noche, Jane canta delante del espejo: "...La respuesta a la pregunta les pediría, pues yo soy una niña todavía..." pero al mirarse delante del espejo chilla al descubrir su rostro de anciana. Tras esto, y para pagar su frustración, le sube a Blanche la cena. Blanche, al destapar la bandeja de la cena, se encuentra el cadáver del pájaro que su hermana le dijo que se había escapado. Blanche se espanta al ver el pájaro muerto y no come esa noche.
Al día siguiente, Blanche intenta huir durante la ausencia de Jane, que fue a poner un anuncio en busca de un pianista en el periódico. Sin embargo, debido a su discapacidad no consigue huir. En ese momento, se asoma a a la ventana y ve a su vecina, que está arreglando el jardín y escribe una nota en su máquina de escribir donde le pide que llame al doctor. La nota termina con: "...Bajo ninguna circunstancia se debe enterar mi hermana del contenido de esta nota..." Blanche la firma y la arroja, pero justo llega Jane y la agarra antes que la vecina la pueda leer. Jane la lee y corre con Blanche, esta le dice que recuerde el día después del accidente, Jane le grita que Blanche prometió no volver a hablar de eso, que solo era una cosa del pasado que debía olvidarse, pero Blanche le dice que mientras ella estuviera en esa silla no podría olvidarlo. Jane se va diciendo "... y bajo ningún concepto debe mi hermana enterarse del contenido de esta nota... no soy yo la que precisa un médico, Blanche..." y deja a Blanche sola.
Edwin, un pianista, ve el anuncio y acude a la casa de las hermanas. Jane y el pianista ensayan las antiguas actuaciones de Jane, pensando esta última en volver a hacer lo que la hizo famosa. En una de las salidas de Jane, en este caso para ir a cobrar un cheque a nombre de Blanche para pagar al pianista, Blanche se lanza escalera abajo hacia el teléfono. Consigue llamar al doctor, al que advierte sobre el estado en que se encuentra Jane, cada vez más enloquecida. Sin embargo, Jane regresa a la casa y la sorprende hablando con el doctor. La golpea y llama otra vez al doctor fingiendo ser Blanche diciendo que todo está perfectamente, para evitar que el doctor vaya a la casa. Cuando llega Elvira, Jane le dice que no la necesita y la despide. Sin embargo, Elvira le dice que al menos se quiere despedir de Blanche. Al subir a la habitación de Blanche, encuentra a está maniatada en la cama. En un descuido de Elvira, Jane la golpea con un martillo y la mata.
Más tarde Edwin, en estado de embriaguez, va a recoger su pago a la casa de las hermanas. Mientras está hablando con Jane, Blanche, escaleras arriba, ha conseguido desatarse una mano y tira un jarrón para llamar la atención del visitante. Edwin, al escuchar ruido arriba, sube las escaleras y descubre a Blanche atada en el cuarto. Edwin sale de la casa en busca de ayuda, mientras tanto Jane, se lleva a rastras a su hermana y se van a la playa, donde Jane quería que vivieran. Edwin consigue alertar a la policía que empieza la búsqueda de las hermanas.
En la playa, Blanche queda exánime y con Jane al lado. Entonces, hambrienta y deshidratada, Blanche le dice a Jane que le amargó la vida haciéndole creer que el accidente fue culpa suya pero que no era ella quien conducía aquella noche, sino Blanche. Jane estaba borracha, Blanche no la dejó conducir, pero, anteriormente, en una fiesta, Jane humilló a Blanche y esta estaba enojada y quería matarla. Aceleró, pero esta escapó a tiempo y el choque contra la puerta de la mansión hizo que Blanche se rompiera la espina dorsal y Jane huyó. Blanche consiguió salir del coche y arrastrarse hasta la puerta donde la encontró la policía, lo que le dio tiempo a Blanche de culpar a Jane, quien se había quedado borracha en un motel. La deprimida y trastornada mente de Jane le provocó la horrorosa idea de haber sido la que atropelló a su hermana. Blanche termina su historia, y Jane pone cara de enfado y de locura pero la cambia por una agradable sonrisa y ahí, le dice: "Entonces, en todos estos años, podríamos haber sido amigas".
Jane sale a comprar un helado para Blanche y la policía la descubre. Le preguntan donde está Blanche, para suministrarle asistencia médica. Jane se para en la arena (completamente loca) y canta delante de una multitud. La película termina con la policía asistiendo a Blanche y con Jane bailando en mitad de la playa rodeada de gente.
