BLACK SWAN erzählt die Geschichte von Nina (Natalie Portman), einer Ballerina in einem New York City Balletunternehmen, deren Leben sich, wie bei allen ihren Kolleginnen auch, nur um das Tanzen dreht. Sie lebt zusammen mit ihrer Mutter Erica (Barbara Hershey), eine Ballerina im Ruhestand, die eifrig die Karriere ihrer Tochter fördert. Als der künstlerische Leiter Thomas Leroy (Vincent Cassel) sich dazu entschließt, die Prima-Ballerina Beth MacIntyre (Winona Ryder) für den Produktionsauftakt der neuen Saison, Schwanensee, zu ersetzen, ist Nina seine erste Wahl. Aber Nina hat eine Konkurrentin: Eine neue Tänzerin, Lily (Mila Kunis), beeindruckt Leroy ebenfalls. Schwanensee erfordet eine Tänzerin, die sowohl den Weißen Schwan mit Unschuld und Grazie, als auch den Schwarzen Schwan, der für List und Sinnlichkeit steht, spielen kann. Nina ist perfekt für die Rolle des Weißen Schwans geeignet, jedoch ist Lily die Personifikation des Schwarzen Schwans. Während die jungen Tänzerinnen ihre Rivalität zu einer verworrenen Freundschaft umwandeln, begrät Nina immer mehr mit ihrer dunklen und rücksichtslosen Seite in Kontakt, welche sie zu zerstören droht.

Ein New Yorker Ballettensemble will Schwanensee aufführen und sucht eine Nachfolgerin für den bisherigen Star des Ensembles, die alternde Primaballerina Beth MacIntyre. Die Ballerina Nina Sayers will die Doppelrolle des weißen und schwarzen Schwans. Der Direktor, Thomas Leroy, sagt Nina, dass sie zwar die Rolle des weißen Schwans perfekt beherrsche, jedoch mangele es ihr für den verführerischen schwarzen Schwan an Leidenschaft und Sinnlichkeit. Als Nina ihn ein weiteres Mal um die Rolle bittet, küsst Thomas sie unerwartet, woraufhin sie ihn in die Lippe beißt. Kurz darauf erfährt sie, dass Thomas sie für die Rolle der Schwanenkönigin gewählt hat.

Nina lebt allein mit ihrer Mutter Erica, die ebenfalls Tänzerin war, dann aber den Fehler machte, sich mit dem Choreographen einzulassen, schwanger wurde mit Nina und ihren Beruf aufgeben musste. Vor diesem Schicksal will Erica ihre Tochter bewahren und erzieht sie zu frigider Perfektion, damit die Tochter einmal erreicht, was die Mutter nicht erreichte.

An Ninas Schulter bildet sich eine Wunde und sie fängt an, zu halluzinieren. Sie entwickelt eine Paranoia und denkt, dass Lily, die frisch hinzugekommene Neue in dem Ballettensemble, ihr die Rolle wegnehmen will. Eines Abends steht Lily vor Ninas Tür und will mit ihr Essen gehen. Nina willigt ein, und sie gehen in eine Bar, wo Lily Nina zwei Männer vorstellt. Lily gibt Nina Drogen, die sie zögerlich nimmt. Während die vier tanzen, hält Nina kurz inne und man sieht zwischen den Lichtblitzen des Clubs Ninas Gesicht als schwarzen Schwan geschminkt aufblitzen. Sie ist kein "gutes Mädchen" mehr, wie ihre Mutter sie immerzu nennt. Sie ist wilder, leidenschaftlicher. In diesem Moment ist sie der schwarze Schwan. Als die beiden Frauen später am Abend wieder zurück in Ninas Wohnung sind, haben sie Sex. Am nächsten Morgen erwacht Nina spät und alleine, woraufhin sie zur Probe eilt, bei der sie feststellt, dass in ihrer Abwesenheit Lily in einer Durchlaufprobe den schwarzen Schwan vorführt und dafür von Thomas gelobt wird. Als sie Lily daraufhin zur Rede stellt und sie fragt, warum sie am Morgen einfach so verschwunden sei, weiß Lily jedoch von nichts und meint, sie habe die Nacht mit einem der Männer verbracht, die sie in der Bar kennengelernt hatten.

Nina leidet zunehmend unter den Halluzinationen. Als sie eines Abends nach Hause kommt, hört sie die Bilder ihrer Mutter reden. Sie bemerkt, wie sich die Wunde an ihrer Schulter verschlimmert hat, und zieht aus ihr eine schwarze Feder heraus. Daraufhin verfärben sich ihre Augen rot und ihre Beine verwandeln sich in die eines Schwans. Sie stolpert und stößt mit dem Kopf an ihre Bettkante.

Am nächsten Tag, dem Tag der Premiere, hat Ninas Mutter Erica Nina zu Hause in ihrem Zimmer eingeschlossen und im Theater krank gemeldet. Als Nina davon erfährt, zwingt sie ihre Mutter mit Gewalt, sie aus dem Haus zu lassen. Sie eilt zur Premiere und erfährt, dass Thomas Lily gebeten hat, die Schwanenkönigin zu tanzen. Doch Nina kann ihn in strengem, ungewohnt hartem Ton überzeugen, dass sie in der Lage ist, zu tanzen und bereitet sich schließlich vor. In der Pause geht sie zurück in ihre Garderobe, wo sie Lily findet, die das Kostüm des schwarzen Schwans trägt, und ihr anbietet, den schwarzen Schwan für sie zu tanzen. Die beiden streiten sich, bis Nina Lily gegen einen Spiegel stößt. Sie rammt Lily eine Spiegelscherbe in den Bauch, sodass diese schließlich verblutet. Nina versteckt die Leiche und macht sich auf, als schwarzer Schwan zu tanzen. Sie tanzt leidenschaftlich und verwandelt sich langsam in einen schwarzen Schwan mit Flügeln. Kurz darauf ist sie wieder sie selbst, die Verwandlung war eine weitere Halluzination. In ihrer Garderobe begegnet sie Lily, die ihr gratuliert und von ihrer Leistung auf der Bühne schwärmt. Auch der Tod von Lily war offensichtlich eine Halluzination, dennoch ist der Spiegel zerbrochen. Nina bemerkt, dass auch ihr Kampf gegen Lily eine von ihren Halluzinationen war und sie in Wirklichkeit sich selbst verletzt hat. Sie zieht eine Scherbe aus ihrem Bauch und blutet.

Zum letzten Akt geht sie auf die Bühne und tanzt den weißen und schwarzen Schwan perfekt. Alle Tänzer gratulieren ihr, doch dann sehen alle die blutige Wunde an ihrem Bauch. Thomas fragt sie, was sie gemacht habe. Sie antwortet ihm: Ich war perfekt.