Au cours d'une soirée passablement arrosée, Nick Halloway, analyste financier et célibataire endurci, rencontre la femme de sa vie en la personne d'Alice Monroe, une réalisatrice de documentaires ethnologiques que lui ont présentée ses amis George et Ellen Talbot. Le lendemain, encore sous le coup d'une tenace gueule de bois, il assiste à une conférence donnée par le savant Bernard Wachs dans le laboratoire de recherches Magnascopics. S'étant assoupi dans le sauna de l'établissement, il n'entend pas la sirène d'alarme déclenchée par un catastrophique court-circuit. Lorsqu'il se réveille, il s'aperçoit qu'il est devenu invisible et que l'immeuble, évacué d'urgence, est entouré d'un cordon de sécurité.
Un agent de la C.I.A., David Jenkins, imagine aussitôt le parti à tirer de la situation : sous sa nouvelle forme, Nick pourrait devenir un inestimable espion. Ayant réussi à s'échapper, ce dernier contacte Wachs, qui est aussitôt arrêté par les hommes de Jenkins. Alice, de son côté, est filée sans relâche. Nick se réfugie dans la villa des Talbot au bord de la mer où Alice, George, Ellen et leur ami Richard viennent passer le week-end. Après avoir saboté les manoeuvres de séduction de Richard envers Alice, Nick révèle son malheur à la jeune femme, qui prend activement les choses en mains. En maquillant Nick, elle lui redonne une apparence quasi humaine, lui permettant ainsi de sortir en sa compagnie. Pendant ce temps, Jenkins, malgré l'opposition de son patron Warren Singleton, soumet Wachs à un interrogatoire poussé.
Le savant meurt d'une crise cardiaque, anéantissant ainsi tout espoir, pour Nick, de redevenir visible. Dans le train qui doit les conduire au Mexique, Alice est arrêtée par la C.I.A., mais Nick réussit à s'échapper. Pour libérer la jeune femme, il se propose en échange à Jenkins. Ce dernier accepte mais Nick, ayant utilisé George comme leurre, réussit à éliminer Jenkins et à gagner la Suisse en compagnie de sa bien-aimée.