Le peintre Edouard Frenhofer vit dans le midi de la France avec sa femme Liz. Il reçoit la visite de son ami et ex-rival en amour, le chimiste et amateur d’art Porbus, accompagné d’un jeune peintre admirateur de son oeuvre, Nicolas, et de la compagne de ce dernier, Marianne. Très vite, on évoque le secret qui ronge Frenhofer : il ne peint presque plus et surtout a été incapable en dix ans d’achever ce qui devait être son chef-d’oeuvre, « La belle noiseuse », pour lequel Liz avait posé.


Poussé par Porbus, qui a le goût des expériences, Frenhofer reprend la toile. Marianne accepte, non sans réticences, d’en être le nouveau modèle, plutôt parce que Nicolas l’y pousse, car il voudrait contempler l’oeuvre achevée. Le tableau est enfin terminé après cinq séances de pose éprouvantes pour tous. A la mise à nu de son corps, aux contorsions presque sadiques auxquelles le peintre soumet Marianne, aux esquisses préparatoires successives, sur papier puis sur toile, où la plume grince, le fusain et le pinceau glissent et où le lavis permet l’alchimie des couleurs, s’ajoutent pour les personnages des révélations douloureuses et des dangers liés à la naissance différée d’une oeuvre d’art. Comme si cette dernière se vengeait d’avoir été délaissée et remettait en cause l’apparent confort dans lequel tous baignaient, sans elle. Le tableau fini, Marianne a peur du résultat; Liz, qui avait suivi à distance son élaboration et vient le voir en catimini, reste fascinée et y appose sa marque.


Au bout du compte, les liens entre Frenhofer et sa femme se renforcent. Par contre, Nicolas et Marianne, blessés par cette aventure, feront l’expérience de la rupture. Son chef-d’oeuvre achevé et contemplé par quelques privilégiés (mais pas par le spectateur du film), le peintre le soustrait définitivement aux regards en le murant dans son atelier.