Un jeune homme, Daniel, est guillotiné pour le meurtre d'un policier. La sentence est également jugée juste par Daniel lui-même, bien qu'il ait été poussé au crime par sa maîtresse Marianne Laforêt, une charmante et perfide trafiquante de drogue. Quelque temps plus tard, Jean Delafoy (beau-frère de Daniel), pilote automobile, est victime d'un terrible accident sur la piste et souffre de lésions cérébrales irréversibles. L'équipe du Dr Duval, neurochirurgien d'avant-garde, détermine que Jean est le bon sujet pour opérer la première greffe de cerveau sur un être humain. Son épouse Nicole, bien que déconcertée, autorise l'opération, qui se déroule avec succès. L'identité du donneur est tenue absolument secrète. Jean doit maintenant subir une longue phase de réhabilitation au cours de laquelle ses souvenirs et sa personnalité sont reconstruits. Dès sa rééducation, Jean récupère parfaitement sur le plan physique mais prend des attitudes inhabituelles, se met à fumer et demande beaucoup à Daniel. Sa femme est rassurée par les médecins sur la normalité de la situation mais inexplicablement, un soir, Jean se rend au cirque où travaille Marianne Laforêt et l'étrangle. Conscient de son crime et de sa possible condamnation à mort, Jean décide de s'enfuir. Grâce à des techniques policières sophistiquées, un témoin parvient à reconstituer le visage de Jean et l'inspecteur de police reconnaît l'homme qui avait récemment été porté disparu. Traqué, Jean tente une fuite désespérée en moto, mais il est arrêté. Au cours du procès, le Dr Duval est contraint de révéler à la cour (et à Jean lui-même) l'opération pratiquée sur le patient mourant, ce qui déclenche une réaction émotionnelle dramatique chez Jean. Lors de l'instruction, tout en ignorant le mobile, Jean plaide coupable. Les témoins établissent que l'homme n'a pas pu identifier Marianne, sa victime, parce qu'au moment du crime, elle était méconnaissable à partir du masque de scène.