Le film débute alors que l'inspecteur chef Uhl narre les évènements qui ont mené à sa présence en face du prince héritier Léopold, homme cruel prêt à prendre le pouvoir des mains de son père. Eisenheim, après être tombé en amour pendant sa jeunesse avec Sophie, une noble très au-dessus de sa condition sociale, quitte son village et voyage de par le monde dans le but de parfaire sa magie. Il revient à Vienne en pleine possession de ses moyens et produit des spectacles de magie exceptionnels, au point que même Uhl, pourtant au courant de plusieurs tours de magie, est incapable d'expliquer comment Eisenheim s'y prend.
La réputation du magicien parvient aux oreilles du prince, ce qui le décide à assister au spectacle qui fait courir Vienne au complet. C'est pendant cette soirée que Eisenheim revoit Sophie, promise à Léopold. Son tour de magie étant parfaitement au point, le prince invite Eisenheim à se produire lors d'un spectacle intime.
Après avoir humilié le prince devant ses courtisans, les prestations d'Eisenheim sont interdites à Vienne. Sophie en profite pour retrouver son amour de jeunesse, ce qui ne fait qu'attiser encore plus leur flamme. Stimulés par leur amour réciproque, ils décident de s'enfuir de Vienne. Cependant, Léopold apprend que Sophhie l'a probablement trompé, et la tue dans un moment de rage alors qu'il est ivre.
Désemparé, Eisenheim accuse Léopold de meurtre, ce qui lui vaut une garde à vue. Il sort indemne de l'interrogatoire, mais décide de réfectionner un théâtre à l'abandon pour déjouer les efforts de la police viennoise. Il s'entoure de Chinois dévoués pour mieux accuser Léopold, intouchable par la police, mais pas par la vindicte populaire. Lors des spectacles, Eisenheim fait apparaître ce qui semble être des spectres. Uhl, pressé par Léopold, ne parvient pas à arrêter Eisenheim.
Sa réputation de faire apparaître le spectre des morts grandit, ce qui incite Léopold, déguisé, à assister à l'un de ses spectacles. Pendant cette représentation, le spectre de Sophia apparaît et affirme que le meurtrier est dans la salle même. Uhl et Léopold, bouleversés, quittent la salle. Plus tard, Uhl somme Eisenheim de cesser son spectacle, ou il sera emprisonné, mais le magicien refuse.
Lors d'un autre spectacle, Eisenheim fait apparaître à nouveau Sophie, mais cette fois, Uhl veut l'arrêter. Il ne peut le faire, car seul le fantôme d'Eisenheim est sur scène. Convaincu qu'il s'agit d'un autre tour de magie, il fait fouiller le théâtre, en vain. Il découvre dans les effets personnels d'Eisenheim les plans d'un pendentif qu'Uhl a entr'aperçu dans l'écurie de Léopold. Après une inspection plus poussée de l'écurie, Uhl y découvre à la fois le pendentif porté par Sophie et une pierre provenant du sabre d'apparat de Léopold.
(Retour à la première scène du film). Uhl affirme qu'il a des preuves irréfutables que Léopold a assassiné Sophie. Le prince héritier le menace de sanctions et, finalement, le menace d'un pistolet. Mais il est trop tard. L'empereur a reçu le colis que l'inspecteur chef lui a fait parvenir et ses soldats sont déjà sur place. Léopold, incapable de faire face à son destin, se suicide.
Uhl, déchargé de ses fonctions, quitte le château et reçoit des mains d'un gamin un colis. Uhl se rend compte qu'il s'agit des plans détaillés qui permettent de créer un mini-oranger, tour de magie qu'il l'a fasciné au début du film. Convaincu qu'Eisenheim est proche, il le reconnaît malgré son déguisement et le poursuit. Eisenheim embarque à bord d'un train, mais que l'ex-inspecteur chef rate.
Se rendant compte que le pendentif n'est plus dans sa poche, Uhl réalise en un éclair que le magicien a tout manigancé de a à z pour faire tomber Léopold. Eisenheim a, en effet, « planté » les indices qu'Uhl a découverts. Ce dernier éclate de rire, victime du dernier tour de magie d'Eisenheim, lequel retrouve son amour de jeunesse dans un cottage bucolique.