O famoso ilusionista Eisenheim (Edward Norton) assombra as plateias de Viena com seu impressionante espetáculo de mágica. Suas apresentações despertam a curiosidade de um dos mais poderosos e céticos homens da Europa, o Príncipe Leopold (Rufus Sewell). Certo de que as mágicas não passam de fraudes, Leopold vai ao show de Eisenheim disposto a desmascará-lo. Quando Sophie (Jessica Biel), noiva de Leopold, é chamada ao palco para participar de um número, ela reconhece em Eisenheim uma paixão juvenil. Eles iniciam um romance clandestino e o príncipe delega a um inspetor de polícia (Paul Giamatti) a missão de expôr a verdade por trás do trabalho do mágico. Após se reencontrar com Sophie e iniciar um romance que foi proibido quando mais jovens, Eisenheim decide por um fim nos planos de Leopold (ele queria dar um golpe no pai para continuar com a monarquia e iria usar Sophie como parte do plano). Decidido a fugir com Sophie, Eisenheim planeja a sua fuga meticulosamente, mas algo da errado e ela acaba morrendo. Ele decide então montar uma nova apresentação onde os “mortos” voltam. Depois de algumas apresentações, Sophie volta em uma delas. Isto é o suficiente para que o príncipe peça ao inspetor de polícia que prenda Eisenheim. No dia seguinte, Sophie conta para a plateia algo que chama a atenção do inspetor, mas quando ele vai prender Eisenheim, descobre que ele também é uma ilusão.
No fim, o inspetor tenta prender o príncipe (com a ajuda do Imperador) por ter matado Sophie, mas ele se mata. Logo após, descobrimos que tudo fora uma armação de Eisenheim para viver com Sophie, que estava viva o tempo todo.
