مطب دکتر کالیگاری
داستان فیلم

ماجرای فیلم در قالب داستانی و بیشتر آن به صورت گذشته نمایی توسط نقش اول فیلم، فرانسیس، بیان می‌شود. این فیلم جزء نخستین نمونه‌های استفاده از «داستان قاب» (به انگلیسی: Frame Story) در تاریخ فیلمسازی است.
فرانسیس (فریدریش فهر Friedrich Fehér) در کنار همراهی سالخورده در حال سخن گفتن هستند که زنی ظاهراً آشفته، جین (لیل داگوفر Lil Dagover)، از کنار آن‌ها می‌گذرد. فرانسیس وی را «نامزدم» خطاب می‌کند و داستان جالبی را که او به همراه جین داشته‌اند، نقل می‌کند.
فرانسیس داستانش را با سخن گفتن از خود و دوستش آلان (هانس هاینریش فون تواردوفسکی Hans Heinrich von Twardowski) که هر دو برای ازدواج با جین رقابتی سالم را دارا هستند، آغاز می‌کند. این دو دوست از کارناوالی در دهکده‌ای کوهستانی در آلمان، هولستنوال (Holstenwall)، دیدن می‌کنند. در این کارناوال، آن‌ها با شخصیتی جالب بنام دکتر کالیگاری (ورنر کراوس Werner Krauss) و شخص خوابگردی تقریباً لال بنام سزار (کنراد وایت Conrad Veidt) برخورد می‌کنند. دکتر کالیگاری سزار را در کابینی تابوت مانند و در حالت خواب قرار داده و با استفاده از داروهای خواب‌آور وی را تحت کنترل خود نگه می‌دارد و به عنوان جاذبه‌ای دیدنی به نمایش می‌گذارد. کالیگاری متوجه شده‌است که حالت مداوم خواب سزار به او اجازه می‌دهد که پاسخ هر راز و سئوالی را دربارهٔ آینده بداند. هنگامی که آلن از سزار می‌پرسد که چقدر زنده خواهد ماند، سزار بصراحت به او پاسخ می‌دهد که وی تنها تا سحر زنده خواهد ماند (پیش‌بینی که محقق می‌شود). مرگ خشن آلن به‌دست موجودی مرموز به جدیدترین مورد از سلسله قتلهای اخیر هلستنوال تبدیل می‌شود.
فرانسیس و جین، کالیگاری و سزار را تحت نظر قرار می‌دهند. دکتر کالیگاری به این مسئله پی می‌برد و به سزار دستور می‌دهد که جین را به قتل برساند. سزار تقریباً این خواسته را عملی می‌کند. این مسئله باعث می‌شود که فرانسیس مطمئن شود که به‌طور حتم سزار و دکتر کالیگاری مسئول قتلهای اخیر هستند. با توجه به زیبایی ماورایی جین، سزار خود را ناتوان از کشتن وی می‌بیند و در عوض او را می‌رباید. در تعقیب و گریزی که توسط ساکنان روستا صورت می‌گیرد، سزار در نهایت جین را رها کرده و به دلیل خستگی مفرط به زمین افتاده و می‌میرد.
در این حین، فرانسیس به بیمارستان روانی هولستنوال می‌رود تا جویای وجود مریضی بنام دکتر کالیگاری شود و با یافتن اینکه دکتر کالیگاری در واقع مدیر تیمارستان است، شوکه می‌شود. با کمک همکاران دکتر کالیگاری در تیمارستان، فرانسیس از طریق نوشته‌های قدیمی (و دفترچه خاطرات وی) در می‌یابد که شخصی که به اسم دکتر کالیگاری شناخته می‌شود، شیفتهٔ داستان راهب مرموزی بنام کالیگاری است که در سال ۱۷۰۳ در شمال ایتالیا به روستاهای مختلف رفته و به روش مشابهی از شخص خوابگردی که تحت کنترل داشته، برای کشتن مردم استفاده می‌کرده‌است. دکتر کالیگاری به صورت دیوانه‌واری علاقه‌مند می‌شود تا ببیند آیا این اتفاق به صورت واقعی صورت می‌پذیرد و به همین دلیل خود را در جایگاه کالیگاری قرار می‌دهد و قتلهایی را به صورت نیابتی و از طریق سزار به انجام می‌رساند. فرانسیس و سایر پزشکان تیمارستان، نیروهای امنیتی را به اتاق دکتر کالیگاری می‌فرستند. دکتر کالیگاری تنها هنگامی که در می‌یابد که بردهٔ محبوبش، سزار، مرده‌است، دیوانگی خود را آشکار می‌کند و پس از این ماجرا به عنوان بیمار در تیمارستان خود بستری می‌شود.
روایت به زمان حال بازمی‌گردد و فرانسیس در حال جمع‌بندی داستان خود است. در انتها مشخص می‌شود که گذشته نماییهای فرانسیس، در واقع تخیلات وی بوده‌اند و فرانسیس، جین و سزار همگی بیمارهای تیمارستان هستند و مردی که وی او را دکتر کالیگاری می‌پندارد، مدیر تیمارستان است. فرانسیس برآشفته می‌شود و پزشکان تیمارستان لباس مخصوص را به وی پوشانیده و او را به همان اتاقی که دکتر کالیگاری خیالی در آن بستری بود، می‌برند. در پایان پزشک وی می‌گوید از آنجاییکه منبع «ترس» وی آشکار شده‌است، اکنون می‌تواند فرانسیس بیچاره را درمان کند.