疑念を抱いたフランシスは、彼が思いを寄せるジェーンとその父親のオルセン博士と共に、カリガリ博士とチェザーレの身辺を調査し始めた。危険を察知した博士は、チェザーレにジェーンを殺害することを命じ、同時に周囲を欺くためにチェザーレの替え玉人形を用意した。チェザーレはジェーンの部屋へ侵入しナイフをふりかざすが、ジェーンの美貌に心を奪われる。眠り男は殺すのをためらったままジェーンを抱きかかえ、彼女の家から連れ去るが、その後を村人たちが追っていた。追跡のさなか、チェザーレは心臓発作により命を落としてしまう。
一方、フランシスは警官たちとともにカリガリ博士の見世物小屋を訪ね、チェザーレとの面会を強要した。しかし、眠り男が眠っているはずの箱の中にあったのは、博士が用意していた替え玉の人形だった。逃亡した博士は村の中の精神病院へ逃げ込んだ。フランシスがその病院で「カリガリという名の患者」の所在を尋ねたところ、病院の職員に案内されたのは、院長室だった。その中にいたのは、まぎれもないカリガリ博士であった。
フランシスは、博士が別宅で寝ているのを見計い、病院の職員たちの助けを借りて、深夜に院長室に侵入する。部屋の中を探索したフランシスたちは、夢遊病者を使った殺人を犯した見世物師について描かれた古い本を発見した。その見世物師の名前はカリガリ。驚愕した一行はさらにカリガリ博士の日記を発見し、博士が本の記述を再現することに心を奪われていることを知った。翌日、病院に運び込まれたチェザーレの死体と対面したカリガリ博士は、悲しみのあまり取り乱す。博士はその場で病院の職員たちに取り押さえられ、拘束衣を着せられて独房へ収容される。
このように語られてきたフランシスの回想は実は彼の妄想で、現実にはフランシスは精神病院の患者であり、ジェーンやチェザーレもまた患者であることが明らかにされる。フランシスは精神病院の院長をカリガリ博士だと言って掴みかかるが、取り押さえられ拘束衣を着せられ収容される。院長はついにフランシスの妄想が理解できたので治療の方法が判明したと宣言する。
本作品の制作と上映.