Cap Cod, U.S.A., au début des années soixante. Sur un bateau un jeune garçon, Alan, s'ennuie. Fasciné par la mer, il plonge bien qu'il ne sache pas nager. Sous l'eau, il croit voir une petite sirène qui lui tend la main. Sauvé, il retrouve ses parents. Vingt ans plus tard, à New York, Alan et Freddie, son frère, sont grossistes en fruits et légumes. Si Freddie est un viveur, Alan est un sentimental. Un soir de cafard, il retourne à Cap Cod. A nouveau, il manque se noyer et se retrouve par miracle sur une plage, choyé par une ravissante créature qui, ensuite, disparaît dans l'océan : sur terre, c'est une femme, dans l'eau, une sirène. Celle-ci, ayant trouvé les papiers perdus par Alan, se rend à New York. Alan la retrouve, l'installe chez lui, sans connaître son secret. La sirène découvre New York, prend le nom de Madison, et vit le parfait amour avec Alan. Tout irait pour le mieux sans W. Kornbluth, un chercheur, qui avait surpris l'existence de la sirène au large de Cap Cod, et qui reconnaît Madison. Kornbluth cherche par tous les moyens à prouver l'existence de la sirène. Il y parvient, et Alan découvre brutalement la vraie nature de Madison, Enfermée dans un centre de recherches, Madison se laisse mourir. Kornbluth, pris de remords, aide alors Alan et son frère à la délivrer. Poursuivis par l'armée, Madison et Alan plongent dans l'East River. L'amour d'Alan pour Madison lui permettra de connaître le bonheur avec elle, dans la sérénité des profondeurs.