Riggan Thomson est un acteur à la gloire passée, plus connu pour avoir interprété le super-héros Birdman dans une trilogie de films. Le rôle l'habite encore, Thomson se prenant parfois à croire qu'il peut voler ou déplacer des objets par la pensée, tout en entendant les sarcasmes du personnage de Birdman. Riggan a cependant un projet pour relancer sa carrière : une nouvelle adaptation sur Broadway de la nouvelle Parlez-moi d'amour de Raymond Carver.
Pour monter l'adaptation, Riggan est entouré de son ami et avocat Jake, sa petite-amie Laura, de l'actrice débutante Lesley et de sa fille Sam, qui sort d'une cure de désintoxication, comme assistante. Pendant les répétitions, l'autre acteur principal Ralph est blessé par la chute d'un projecteur. Riggan est persuadé d'avoir causé inconsciemment l'accident afin de recaster le rôle. Jake parvient à engager Mike Shiner, un acteur brillant mais hyper-exigeant qui est aussi le petit-ami de Lesley. Les premières répétitions montrent les caprices de Mike : il sort de son personnage en constatant que le gin qu'il doit boire a été remplacé par de l'eau, et tente de violer Lesley pendant une scène d'amour. Riggan commence à douter du projet, malgré les critiques ravies de la présence de Mike, et Jake l'encourage à continuer. Un soir, Riggan surprend Sam en train de fumer du cannabis, mais elle lui rétorque la vanité de son projet qui ne sert que l'ego de l'acteur.
Lors de la répétion générale, Riggan aperçoit Sam et Mike ensemble. Il craint de voir l'acteur devenir un rival aussi bien sur scène qu'à la ville et sort fumer une cigarette, mais il se retrouve enfermé dehors en sous-vêtements et doit traverser Times Square à moitié nu pour revenir sur scène. L'incident est filmé par les passants, les vidéos deviennent virales et l'attente grandit à nouveau. Au terme de la répétition, Riggan retrouve dans un bar Tabitha Dickinson, une journaliste féroce qu'il cherchait à convaincre mais elle lui révèle qu'elle hait les stars hollywoodiennes, n'a aucune intention de voir la pièce mais va tout de même écrire une critique violente contre la pièce. Riggan se saoule, dort dans la rue et à son réveil le lendemain matin, se met à croire qu'il est dans un nouveau film Birdman et voler vers le théâtre.
La première approche et la vidéo virale de Riggan en sous-vêtements amuse Sam, qui commence à voir un homme derrière l'acteur. Avant la dernière scène, Riggan retrouve Sylvia, son ex-femme et mère de Sam, et lui avoue avoir tenté de se suicider quand elle a découvert qu'il la trompait plusieurs années auparavant. Quand il retourne sur scène, Riggan échange l'arme factice qu'il doit utiliser pour jouer son suicide avec un vrai pistolet, monte sur scène, dit ses dernières répliques avant de se tirer dans la tête. Les spectateurs médusés se lèvent et applaudissent, sauf Tabitha qui quitte la salle.
Le lendemain, la nouvelle de la tentative de suicide de Riggan fait la une de la presse. En tirant, l'acteur a perdu son nez, refait pendant la nuit. Jake lui rend visite et lui montre la critique dithyrambique de Tabitha, saluant la performance super-réaliste de l'acteur. Sam vient à son tour avant de quitter la pièce. Riggan se lève, enlève son bandage qui révèle un visage tuméfié proche de celui de Birdman et grimpe sur le rebord de la fenêtre. Quand Sam revient, elle trouve la pièce vide, regarde par la fenêtre avant de lever les yeux au ciel et sourire.