Sur le quai de la gare de Séville, une jeune femme court après un homme qui va prendre le train pour Paris. Celui-ci est un quinquagénaire distingué qui, à peine installé dans son compartiment, déverse un seau d'eau sur sa poursuivante, déjà passablement marquée par les coups.
Puis il se rassied et se met à raconter son histoire à ses compagnons de voyage intrigués. Cela avait commencé lors de la vague d'attentats terroristes organisés par le GAREJ (Groupe Armé Révolutionnaire de l'Enfant Jésus). Mathieu, c'est le nom du barbon, est séduit par la beauté de sa nouvelle femme de chambre. Il est veuf et lui fait une cour empressée, qu'elle repousse en, arguant de sa virginité. Il la perd de vue puis la retrouve dans diverses occasions, à Genève, à Courbevoie, parfois accompagnée d'une mère aussi pieuse que vénale. Elle se refuse toujours obstinément à lui.
Lors d'une dernière rencontre, à Séville, elle exerce la profession de danseuse nue pour l'agrément des touristes. Elle le berne en s'offrant, sous ses yeux, à un ami guitariste. Mais est-ce bien la même femme, ou une autre qui lui ressemble étrangement ? Toujours est-il que Mathieu, furieux, lui inflige une correction méritée... A présent c'est elle qui le poursuit ! Le récit et le voyage de Mathieu continuent, émaillés d'incidents étranges. A la fin, il y aura une terrible explosion, qui est peut-être l'oeuvre des mystérieux terroristes.
Ultime film de la carrière de Luis Bunuel, Cet obscur objet du désir est la quatrième adaptation du roman La femme et le pantin de Pierre Louys, après celle de Jacques de Baroncelli, de Joseph von Sternberg et de Julien Duvivier avec Brigitte Bardo. Contrairement à ses trois prédécesseurs, qui s'étaient attachés à raconter la tragédie d'un amour fou, Bunuel se plait à briser, par un système de flash-back, le rythme narratif de l'intrigue et à profiter, au contraire de l'occasion pour poursuivre ses idées et ses fantasmes habituels. Le film devient alors une réflexion tout à la fois grave et ironique, sur l'oppression, la religion et la virginité.
L'obsession de la possession est remarquablement désamorcée par l'apparition aléatoire de l'une ou l'autre des deux actrices qui incarnent Conchita.