Nouvellement arrivée à Londres où elle est venue rejoindre son frère Steven, correspondant de presse, Ann Lake s'aperçoit que sa petite fille Bunny est disparue de la maternelle où elle l'avait inscrite. Mais, à 1'école, tous affirment n'avoir jamais vu l'enfant et comme aucun indice ne vient corroborer les dires de la jeune femme, l'inspecteur Newhouse, chargé de l'enquête, se demande si Bunny Lake existe vraiment. D'autant plus que certaines déclarations de Steven, loin d'éclairer la situation, augmentent les doutes du policier sur l'équilibre d'Ann. La jeune femme se met alors frénétiquement à la recherche de son enfant et la vérité finit par percer.