Porbus, ami de toujours et ex-rival en amour du célèbre peintre Frenhofer, vient lui rendre visite dans la propriété du midi de la France où il vit retiré avec sa femme Liz. Il est accompagné du jeune peintre Nicolas et de sa compagne Marianne. Nicolas a beaucoup d'admiration pour Frenhofer qui semble estimer ce dernier. En lui montrant son atelier en compagnie de Porbus, Frenhofer avoue le secret qui le ronge depuis longtemps: voici dix ans qu'il ne peint plus. Depuis qu'il a laissé inachevé une toile dont Liz était une fois de plus le modèle, "La Belle Noiseuse". Porbus pousse Frenhofer à le reprendre avec un nouveau modèle. Pourquoi pas la belle Marianne? Frenhofer se laisse tenter, même s'il sait le danger d'une telle "expérience", Nicolas accepte. D'abord vexée d'être ainsi "louée", la fière jeune femme refuse, puis accepte par défi. Commencent alors cinq longues journées de pose. Tandis que Frenhofer dessine, peint et tord le corps dénudé de Marianne pour lui faire rendre sa vérité. Liz, quoique rongée par l'angoisse, encourage la jeune femme à persévérer. Nicolas découvre peu à peu une forme particulière de jalousie devant les liens qui unissent le peintre et son modèle et lorsque Frenhofer est au bord de renoncer, c'est Marianne qui le pousse à aller jusqu'au bout. Le tableau achevé, sur la toile même qui avait été abandonnée, la figure de Marianne effaçant celle de Liz, le peintre s'empresse de l'emmurer et de le remplacer par une toile anodine. Mais les relations entre Liz et Frenhofer ne seront plus jamais comme avant, tandis que le bonheur illusoire du couple Marianne-Nicolas se défait.