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1960年代，某夜，女孩「洋娃娃」（Baby Doll）的母親過世，遺囑表示遺產全部由兩女兒繼承，繼父在酒意及憤怒下欲性侵兩姊妹，「洋娃娃」（Baby Doll）用指甲抓傷繼父，被擊退的繼父將房門鎖上，轉而走向妹妹的房間，「洋娃娃」（Baby Doll）循外邊攀窗沿水管爬到妹妹的房間，用.45 Colt手槍擊傷繼父，可惜此時妹妹已被繼父殺害，「洋娃娃」（Baby Doll）抱著妹妹屍身悲痛時，繼父趁機報警，警察趕到，繼父向警方說謊，「洋娃娃」（Baby Doll）因喪母之痛而患上憂鬱症，錯手殺死自己的妹妹，警察信以為真，將「洋娃娃」送進藍尼克斯之家精神病院(Asylum's Psychiatrist)。
洋娃娃被狎進精神病院之內部時，洋娃娃聽到病院總看護「藍佬」（Blue）向繼父索取賄賂，「藍佬」假冒治療師葛絲基夫人（Madam Gorski）的簽名，在手術文件上簽字，同意進行執行前腦葉白質切除術，除去洋娃娃的所有記憶，忘記母親過世及妹妹被殺的真相。繼父同意兼交出賄款。手術將在五天後執行，由外科醫生「浪子」(High Roller)負責。
「洋娃娃」被狎入活動大廳之前（「藍佬」稱之為劇場），「洋娃娃」留意到四處的物件，包括辦公室內的地圖、胖廚子的刀、看閘員的火機及藍佬掛在頸項上的鎖匙。「洋娃娃」進入劇場，看見葛絲基夫人及其他病患。葛絲基夫人的治療方式，是以舞蹈練習的形式教導病患掌控他們腦中的所想世界。在音樂的影響下，「洋娃娃」想像精神病院化成了舞孃夜總會，繼父變成了牧師，將孤兒「洋娃娃」賣給夜總會老闆「藍佬」，葛絲基夫人則為調教女孩們艷舞技巧的領班。而五天後，「洋娃娃」的處女之身將賣給「浪子」。舞台上，「小甜豆」（Sweet Pea）中斷練習並批評表演詮釋方式（現實為「小甜豆」正批評葛絲基夫人所實施的精神療程），「小甜豆」的胞妹「火箭女」（Rocket）帶領洋娃娃熟悉劇場的環境。
除了接受舞蹈練習治療外，「洋娃娃」亦需要處理雜務，一次在洗刷通道地板時，發覺附近的廚房有撞擊的聲音，「洋娃娃」進入廚房查看，發現「火箭女」被廚子性侵犯，「洋娃娃」於是隨手拿廚刀要脅胖廚子，挺身將「火箭女」從胖廚子的色慾中救出，兩人自此結為好友。
葛絲基夫人又再開始舞蹈練習治療，命「洋娃娃」隨音樂跳舞。「洋娃娃」起初不肯跳舞，在音樂下，「洋娃娃」開始進入腦內的想像世界：「洋娃娃」身處在飄雪中的日本道場。進入道場裡遇見了「智者」(Wiseman)，「智者」詢問「洋娃娃」想要什麼，「洋娃娃」表示想逃離精神病院，「智者」指引她逃出的關鍵，取得五種物品：包括地圖(Map)、火(Fire)、刀(Knife)、鑰匙(Key)，第五項則是謎(fifth)，要「洋娃娃」自己領悟出來。此刻，三名巨大的日本武士來襲，「洋娃娃」拿著「智者」所給的武士刀及手槍將之擊垮。當「洋娃娃」從想像空間回到現即時，眾人包括「藍佬」正鼓掌讚嘆「洋娃娃」那從想像引領出來的舞姿，並逐漸受到青睞。
除了「小甜豆」，女孩們都對「洋娃娃」的舞蹈讚賞。準備室裡，「洋娃娃」提出了逃脫的計劃，「洋娃娃」會以舞蹈吸引眾人目光，其他參與計劃者趁機收集頭四種關鍵物品。聽完計劃後，「火箭女」和其他兩位女孩「黑琥珀」(Amber)和「布女郎」(Blondie)跟隨參與，「小甜豆」因為要顧及胞妹「火箭女」，則於不情願下最後答應，並表明若太過危險計劃就得中止。「洋娃娃」自知每一次跳舞，其想像到的情景都會反映真實的情況。
女孩們於是開始行動，首個目標是地圖，「洋娃娃」以跳舞為藉口吸引「藍佬」離開辦公室到劇場觀看，「小甜豆」趁機潛入辦公室將地圖拷貝出來。「洋娃娃」為「藍佬」跳舞，「洋娃娃」思想進入第一次世界大戰為背景的想像空間，軍官「智者」簡報戰術後，「黑琥珀」駕駛兔型機器人提供火力支援和擊落空中敵機，其他四個女孩則攻向從壕溝發起衝鋒的由蒸氣和齒輪鎖驅動的德軍兵團，「洋娃娃」攻入德軍指揮所後遭到孤立，混戰中德軍傳令兵攜帶地圖逃出指揮所，。「洋娃娃」和德軍指揮官對絕後落居下風，雙方對峙時，兔型機器人降落壓毀指揮所，。「洋娃娃」追出並擊倒德軍機槍組奪得路易士輕機槍，以機槍擊毀德軍傳令兵所搭飛艇，德軍傳令兵被炸飛落在離飛艇五步遠的地方，「洋娃娃」以武士刀尖挑起地圖筒，此時德軍指揮官率兵圍住「洋娃娃」，「洋娃娃」將地圖筒往上用力拋出，德軍指揮官欲槍殺「洋娃娃」之時兔型機器人落下一腳踩扁德軍指揮官，「小甜豆」、「火箭女」、「布女郎」從兔型機器人頭頂上開槍擊斃所有德軍，「洋娃娃」搭在兔型機器人腳邊，兔型機器人一飛衝天，「洋娃娃」順勢接住地圖筒，現實中「小甜豆」已將地圖拷貝好，舞蹈表演結束後，「藍佬」向葛絲基夫人提議「洋娃娃」為市長表演，以求換取資金資助藍尼克斯之家。葛絲基夫人覺得表演還很粗糙而拒絕，但藍佬執意進行。回到辦公室後，「藍佬」察覺到影印機表面還有暖感，地圖的圖釘痕跡移位。
市長落實到來欣賞「洋娃娃」的舞蹈，女孩們快速展開下個計劃，「黑琥珀」曾有陪伴市長在側看錶演，於是便順理成章被選為今次任務的執行者，在「洋娃娃」表演時偷竊市長的打火機，來取得第二項物品火。「洋娃娃」表演時，思想來到中古奇幻世界，「智者」向飛機上的女孩們說明任務，潛入城堡取得幼龍喉頸中的兩顆水晶石，雙石撞擊即可產生無與倫比的火焰。「洋娃娃」成功把熟睡的幼龍割喉取得水晶石並產生火焰後，卻激怒了巨大母龍，女孩們合力回擊，洋娃娃最終成功將長劍一擊插入巨龍的腦袋斃命。而現實中，趁著市長目不轉睛盯著表演，「黑琥珀」挨近及輕吻市長，同時一手從市長的西裝內袋成功偷取打火機。表演結束後，市長才發覺不見了打火機，要求「藍佬」尋找。
眾女孩於後台慶祝順利取得兩項物品後，「藍佬」突然出現於後台，警告眾女孩別在其背後密謀什麼計劃。事後，「小甜豆」決意退出，「布女郎」過度害怕的樣子被葛絲基夫人發現，葛絲基夫人坦言「布女郎」可傾訴心事，結果「布女郎」透露了計劃的內容，結果給附近的「藍佬」聽到，走出來捉了「布女郎」。
另一方面，因為「藍佬」已得知眾女孩進行秘密計劃，雖然「布女郎」遲遲未現身，「洋娃娃」、「火箭女」及「黑琥珀」加快進度，來到廚房準備偷取胖廚子腰間的主廚刀，幸好這時「小甜豆」改變初衷歸隊，「小甜豆」將所有廚房出入口鎖上，「黑琥珀」監視外間情況，「火箭女」挨近胖廚子，「洋娃娃」開始跳舞。「洋娃娃」腦袋出現科幻未來世界，她們必須拆除高速列車中代號「刀子」的炸彈，不過若列車一進入城市範圍，「刀子」便會立即被引爆。「黑琥珀」駕駛直升機，「洋娃娃」、「小甜豆」和「火箭女」跳入列車與機器人衛兵展開激戰。最後炸彈進入解除倒數之時，現實中廚房內正播放音樂的收音機失靈，電源線遇水走火，音樂因此中斷，「洋娃娃」亦由想像空間回到現實，舞步暫停，胖廚子回神，發覺「小甜豆」正欲偷走主廚刀，音樂此刻迴響，「洋娃娃」返回想像空間，看見「小甜豆」及「火箭女」仍在列車內，此時列車裡的炸彈被機器人重啟，「火箭女」及時擊破機器人，可惜其火箭推進器被機器人毀壞，無法離開列車車廂，「小甜豆」欲想以自己的火箭推進器將兩人載走，「火箭女」明白沒有可能在爆炸前及時逃出，唯有犧牲自己，閞動「小甜豆」的火箭推進器，讓「小甜豆」獨自升空逃出。列車駛近城市爆炸，任務失敗。
音樂完了，「洋娃娃」由想像空間返回現實，眼見「火箭女」為「小甜豆」挺身擋刀而身亡，憤怒的「藍佬」趕到廚房，責罵胖廚子，並把女孩們捉走，「小甜豆」被囚禁在衣櫃中。得知所有計劃的「藍佬」，在眾人面前以「殺雞儆猴」的理由將「黑琥珀」和「布女郎」槍殺，警告其他病患不可背叛自己，之後將眾人驅散，打算性侵「洋娃娃」，此刻「洋娃娃」在掙扎期間取得之前得到的主廚刀，將「藍佬」刺傷，搶走「藍佬」頸項的鑰匙，「洋娃娃」救出「小甜豆」。兩人在洗手間用火機縱火引發火警，並藉由地圖和鑰匙順利逃出精神病院，但大閘門口守著許多大漢。「洋娃娃」意識到第五項關鍵物品就是她自己，必須犧牲自己才可讓「小甜豆」獲得自由。最後，她走到眾人面前，大家注意她時「小甜豆」趁機從大閘門口逃出，「洋娃娃」被大漢一拳擊昏。
終於，外科醫生「浪子」到達精神病院。「浪子」為「洋娃娃」執行前腦葉白質切除術，手術完畢後。「浪子」發現「洋娃娃」的神情不合常理，神情像暗示極願意接受手術。葛絲基夫人向「浪子」表示「洋娃娃」在手術前五天曾經縱火、刺傷職員以及使一名病患逃脫的不良記錄，葛絲基夫人表示「洋娃娃」的病況是可以治療的，不需要進行手術，但「浪子」表示在要求手術的申請表上的簽名是葛絲基夫人的，葛絲基夫人發現了偽造她的假簽名。「藍佬」趁著葛絲基夫人與「浪子」對話，與不欲合作的手下架走「洋娃娃」於另一間房內，打算性侵「洋娃娃」，但「藍佬」卻驚恐發現「洋娃娃」沒有任何意識，「藍佬」喊著「她已不在那裡」，獨自待在房間，此時，發現被冒簽名的葛絲基夫人和警察們走入房間，將「藍佬」逮捕。執行手術過後的「洋娃娃」一臉安詳，彷彿感覺得到自由。
逃出的「小甜豆」，欲上公共汽車時被兩位調查精神病院走失病患事件的警官截查，幸好公共汽車司機——也就是智者，從中緩頰，說明女孩是他車上的乘客，不是他們所找的病患，女孩只是需要到洗手間而暫時離開公共汽車而已，兩名警官離開，「小甜豆」表示沒有車票，智者示意「「小甜豆」上車，隨即開動公共汽車，接載「小甜豆」往自由的遠方