Nicolas, un jeune artiste peintre, rêve de rencontrer son aîné, le célèbre Édouard Frenhofer. Par l'intermédiaire de Balthasar Porbus1, un marchand de tableaux, il est introduit avec Marianne, sa compagne, dans la demeure de Frenhofer. Celui-ci les emmène dans l'atelier qu'il a déserté et leur parle de La Belle Noiseuse, un tableau abandonné depuis dix ans, et pour lequel sa femme Liz avait servi de modèle. D'un commun accord, Nicolas et Édouard décident que Marianne sera la nouvelle « Belle Noiseuse ». Après les premières réticences, Marianne s'attache au maître et finit par l'encourager quand celui-ci fatigue. Liz tente de prévenir la jeune femme sur l'enjeu d'être modèle pour Frenhofer, mais Marianne, indépendante et têtue, refuse de l'écouter. Finalement, le tableau achevé, Marianne, horrifiée, se découvre plus vraie que nature : c'est son intériorité que le peintre a réussi à saisir. Le tableau l'a définitivement changée : rien ne sera plus comme avant.