Un producteur de cinéma américain essaie de joindre Fedora, star légendaire, qui depuis de nombreuses années s'est retirée des écrans. Il voudrait la convaincre de tourner dans un de ses films, pour "comeback" retentissant.

Alors qu'il l'appelle à sa résidence, il se heurte à Miss Balfour qui refuse catégoriquement de transmettre soit message. Aussi Barry Detweiler loue une barque afin de se rendre sur place. Il assiste à une violente altercation entre Fedora et la Comtesse Sobryanski et se voit renvoyé par le garde du corps, Kritos. Cependant Barry persiste et utilise Vando comme messager en glissant son script dans la poche de son manteau, après s'être présenté comme fervent admirateur de ses travaux de chirurgie esthétique.

Au grand étonnement du producteur, le lendemain Kritos vient pour l'emmener à la villa. Là, il est reçu par la comtesse qui s'en prend violemment à son script à cause de la conclusion : l'héroïne meurt en se jetant sous le train. C'est alors que Fedora apparaît, déclarant que le rôle lui convient mais à condition d'avoir pour partenaire Michael York. De là, la comtesse proteste en lui rappelant soit état fébrile.

Le producteur, certain d'avoir échoué, retourne à son hôtel où à sa grande stupeur se trouve la star. Mais Kritos et Vando apparaissent et emmènent de force Fedora. De retour à Paris, Barry se retrouve face à Vando, le Comte, la Comtesse et Miss Balfour. Ils lui avouent qu'en réalité la Comtesse est la véritable Fedora. Ayant perdu sa beauté, elle se servait de sa fille Antonia afin de cacher sa vieillesse au public. La jeune Antonia est morte comme dans le scénario en se jetant sous le train.