Nina Sayers est danseuse étoile au New York City Ballet. Inhibée, totalement infantilisée par sa mère, la jeune femme tente désespérément de convaincre le maître de ballet Thomas Leroy (Vincent Cassel) de la choisir pour le rôle principal du "Lac des cygnes", un rôle double, puisque la danseuse doit interpréter à la fois Odette, "le cygne blanc" chaste et pur, promise au prince Siegfried, et son double damné, le "cygne noir" ("black swan", NDLR) Odile.

Aussi séducteur que tyrannique et manipulateur, Leroy finit par lui donner le rôle, mais pour mieux l'humilier lors des répétitions.

Complexée, insécurisée, rongée par son obsession de la perfection, Nina souffre aussi de sa jalousie maladive pour les autres danseuses, Beth (Winona Ryder), l'ancienne muse de Leroy, et surtout Lily (Mila Kunis), qu'elle considère comme une rivale potentielle.

Entre son manque de confiance en elle, sa nature complexée, son obsession de la perfection, sa jalousie maladive et sa difficulté à adhérer à la vision artistique de Leroy, Nina, en proie aux hallucinations et au délire, va peu à peu sombrer dans la paranoïa et la folie.

Darren Aronofsky, en bon lecteur de Freud, situe le mal-être de Nina dans ses pulsions sexuelles refoulées et le film peut être vu comme l'impossible émancipation d'une jeune fille condamnée à la virginité par sa mère possessive - avec pour exutoire une scène de lesbianisme... réelle ou imaginaire.