Rescapés du crash d'un avion-cargo en plein désert, des militaires américains entreprennent de construire un avion, le Phénix, avec lequel ils espèrent échapper à la mort.
Jane et Blanche Hudson sont deux s?urs. Jane Hudson est une véritable enfant vedette dans les années 1920, grâce à une chanson reprise par toute l'Amérique. Mais passée l'adolescence, le public l'a complètement oubliée. Et c'est sa s?ur, Blanche, qui devient célèbre à son tour, en devenant une actrice de cinéma renommée et appréciée du public. Un terrible accident de voiture met cependant fin à sa carrière, la rendant complètement dépendante de sa s?ur déchue. Cette situation sera l'occasion pour Jane de faire payer à sa s?ur, dévoilant au fil du temps toute son aigreur, sa jalousie, et son effrayante folie ; avant qu'un coup de théâtre ne brouille les cartes, quant aux responsabilités de la situation qu'Hollywood avait volontairement occultées.
Au temps du cinéma muet, Baby Jane est une grande star, une des premières enfants prodiges. Sa soeur Blanche, timide et réservée, reste dans l'ombre. Dans les années 30, les rôles sont inversés, Blanche est une grande vedette, Jane est oubliée. Désormais, bien des années après, elles vivent en commun une double névrose. Blanche, victime d'un mystérieux accident, est infirme et semble tout accepter d'une soeur transformée en infirmière sadique qui multiplie les mauvais traitements...