В саду на лавочке сидят два довольно унылых джентльмена. Один из них, пожилой, сообщает своему более молодому собеседнику, Францу (Фридрих Фейер), что их окружают духи, которые не дают ему вернуться домой, к жене и ребёнку. На садовой дорожке появляется девушка (Лиль Даговер) в свободном белом платье, похожем на саван, и отрешённо проходит мимо. Франц рассказывает, что это была его невеста, и что на их долю выпали ужасные переживания, рассказ о которых следует далее.

Все началось в маленьком городке Хостенвилле на ежегодной ярмарке, на которой впервые появился таинственный доктор Калигари (Вернер Краус). Он пришёл в городскую управу за разрешением показать на ярмарке свою диковинку — сомнамбулу. Чиновник заставляет доктора долго ждать, а затем высокомерно выдаёт разрешение.Ночью происходит первое таинственное убийство — чиновника находят зарезанным в его спальне.

Молодой джентльмен Алан (Ханс Хайнрих фон Твардовски) соблазняется на призывы ярмарочных листовок и уговаривает своего приятеля Франца пойти с ним. На ярмарке они заходят в шатёр доктора Калигари, где тот показывает публике сомнамбулу Чезаре (Конрад Фейдт), который спит вот уже 23 года и просыпается только по приказу Калигари. Калигари утверждает, что Чезаре ясновидящий и может предсказывать будущее, и предлагает публике задавать ему вопросы. Алан спрашивает у Чезаре, сколько ему осталось жить. Чезаре отвечает, что Алану осталось жить лишь до рассвета.

Вечером приятели возвращаются с ярмарки и встречают красавицу Джейн, в которую оба немедленно влюбляются. Они договариваются, что кого бы из них девушка ни предпочла, они останутся друзьями. Ночью неизвестный пробирается в спальню Алана и убивает его. Узнав о гибели друга, потрясённый Франц вспоминает о пророчестве Чезаре. Он сообщает полиции о своих подозрениях. Затем он идёт к Джейн и рассказывает о гибели Алана ей. Отец Джейн, доктор Олсен, обещает добиться разрешения на допрос Чезаре.

На следующую ночь на месте преступления пойман убийца и все решают, что все предыдущее преступления совершены тоже им. Сообщение об этом прерывает затеянное Францем и доктором Олсеном расследование, когда они уже пришли к Калигари и пытаются разбудить сомнамбулу. Оставив Калигари и Чезаре в покое, они отправляются в полицейский участок, чтобы присутствовать при дознании. Однако пойманный убийца утверждает, что он не имеет отношения к первым двум убийствам — наоборот, он рассчитывал, что его преступление также спишут на таинственного ночного убийцу.

Джейн, не дождавшись возвращения Франца и отца, сама отправляется на ярмарку. Калигари приглашает ее в шатер и пугает, показывая проснувшегося Чезаре. Джейн убегает. Ночью Франц пробирается на ярмарку, заглядывает в окошко фургончика и видит Калигари, который спит, сидя рядом с неподвижно лежащим Чезаре. Франц остается дежурить возле фургончика.

Но в это же самое время Чезаре крадётся по улицам города, сливаясь с тенями. С ножом в руке он пробирается в спальню к Джейн. Однако вместо того, чтобы убить её, он, поражённый её красотой, похищает её и уносит по крышам домов. Крики Джейн будят доктора Олсена. Тот поднимает тревогу. Спасаясь от погони, обессиленный Чезаре бросает девушку и затем сам теряет сознание.

Узнав от Джейн, что на неё напал Чезаре, Франц никак не может ей поверить — ведь он все это время следил за Калигари и Чезаре. Он убеждается, что пойманный убийца по-прежнему сидит в тюрьме, и возвращается с полицейскими на ярмарку. Они требуют, чтобы Калигари предъявил им сомнамбулу. Оказывается, что в ящике лежит не Чезаре, а изображающая его кукла. Калигари убегает и скрывается от преследующего его Франца в психиатрической лечебнице. Франц осведомляется у врачей, есть ли у них пациент по имени Калигари. Ему предлагают поговорить с директором клиники, которым оказывается сам Калигари.

Франц рассказывает врачам о том, что произошло в городе. Ночью они обыскивают кабинет директора клиники и находят древний трактат о сомнамбулизме, где рассказана история о докторе Калигари, который в 1783 году в Северной Италии совершил серию убийств с помощью сомнамбулы Чезаре, а также дневник директора, где тот пишет об опытах с сомнамбулой и о том, что спящего можно заставить делать все, что угодно, против его воли. Узнав тайны сомнамбулизма, мечтает в дневнике директор, он сможет стать новым Калигари.

В этот момент приходит санитар и сообщает, что сомнамбулу нашли мёртвым в лесу. Франц предъявляет Чезаре директору клиники и требует, чтобы тот признался, что Калигари — это он. Директор впадает в буйство, на него надевают смирительную рубашку. «С тех пор, — заканчивает Франц свой рассказ, — безумец так и сидит в своей клетке».

Франц и его собеседник входят в общую залу психиатрической клиники, где находятся Джейн, Чезаре и другие душевнобольные. Франц спрашивает Джейн, когда же она выйдет за него замуж, но девушка безумна. В залу спускается директор клиники, которого Франц обвиняет в том, что тот — Калигари. На Франца надевают смирительную рубашку. Он — сумасшедший, и весь его рассказ — бредовые видения.

Директор клиники говорит, что теперь, поняв характер мании Франца, он может ему помочь. Директор надевает очки и становится похож на Калигари.