Сюжет популярного романа Кристофера Приста существенно переработан братом режиссёра Джонатаном Ноланом. История не рассказывается последовательно, а подаётся в виде нескольких слоев ретроспекций («флешбэков») главных героев.
Фокусник Альфред Борден (Кристиан Бейл) осуждён за убийство Роберта Энджиера (Хью Джекман), своего соперника. Оба работали ассистентами у «Иллюзиониста Милтона» (Рики Джей) и инженера Джона Каттера (Майкл Кейн). Джулия (Пайпер Перабо), жена Энджиера, утонула, исполняя опасный трюк с погружением в воду, и Энджиер винит Бордена, который утверждает, что не знает, правильным ли узлом он связал её. Оба становятся ожесточёнными конкурентами, срывая выступления друг друга.
При этом Борден выступает под псевдонимом «Профессор», с загадочным инженером Бернардом Фелоном, в то время как Энджиер стал «Великим Дантоном» с милой и красивой ассистенткой Оливией Уэнскомб (Скарлетт Йоханссон) и помощником Каттером. Между ними начинается противостояние, которое перерастает из профессионального соперничества в личную вражду. Энджиер саботирует трюк Бордена по ловле пули, в результате чего Борден теряет два пальца. Затем Борден рушит выступление Энджиера по исчезновению птицы в клетке, раня зрителя и убивая птицу, чем наносит ущерб репутации Энджиера.
Вскоре Борден начинает представлять впечатляющий трюк под названием «Перемещение человека», где он входит в одну дверь и мгновением позже выходит через другую, на другом краю сцены, успевая поймать брошенный перед заходом мяч. Энджиер и инженер Каттер спорят о том, как он это делает. Каттер настаивает, что Борден использует двойника, но Энджиер отказывается с этим соглашаться, уверяя, что всё намного сложнее. Энджиер начинает исполнять собственную версию этого трюка, используя похожего на него безработного актёра Рута (также Хью Джекман). Номер получается, но Энджеру приходится находиться под сценой, пока Рут наслаждается аплодисментами.
Энджиер посылает Оливию раскрыть секрет Бордена, но она устала от его одержимости и предаёт его, перейдя на сторону Бордена, с которым у неё начинается роман. Затем она приносит Энджиеру закодированный дневник Бордена, который якобы содержит секрет его трюка. Энджиер и Каттер похищают Фелона, чтобы заставить Бордена дать им ключ от шифра его дневника. Узнав, что ключевым словом является «Тесла», Энджиер отправляется в Колорадо-Спрингс, чтобы встретиться с Николой Тесла (Дэвид Боуи) и нанять его для постройки телепортирующей машины. Между тем брак Бордена рушится из-за его одержимости работой и противостоянием Энджиеру, а после очередной ссоры с мужем жена Альфреда, Сара, совершает самоубийство. Оливия уходит от Бордена, увидев в нем равнодушие к погибшей жене и ту же одержимость, что и у Энджиера.
Энджиер заканчивает расшифровку дневника Бордена и обнаруживает, что это подделка, специально отданная Оливии для него. Когда испытание машины Тесла заканчивается неудачей, Энджиер обвиняет того в хищении его денег в пользу других экспериментов. Тем не менее он и Тесла скоро обнаруживают, что машина работает, но не как телепорт. Вместо этого она создаёт копию объекта на некотором расстоянии (так были созданы копия чёрного кота и множество копий цилиндра Энджиера, обнаруженных рядом с домом Теслы).
Энджиер возвращается в Лондон, завораживая зрителей трюком, который он назвал «Настоящее перемещение человека», исчезая в машине и появляясь в задней части зала. В действительности машина создаёт его копию, а второй Энджиер остаётся в машине, падает через люк под сцену и тонет в цистерне с водой, которая затем убирается слепыми помощниками. При этом Энджиер не всегда уверен, что при перемещении он переместится, а не останется в машине, поэтому каждый номер был для него большим пугающим испытанием.
Борден увидел, как Энджиер тонет, пока шпионил за кулисами, и попытался его спасти, но был пойман и осуждён за убийство (начальная сцена фильма). В тюрьме Бордена посещает агент Лорда Колдлоу, который предлагает уход за его дочерью Джесс в обмен на секреты его трюков. Борден получает дневник Энджиера, в конце которого автор обращается к нему, находящемуся в тюрьме и ожидающему смертной казни за его убийство. Так Борден осознаёт, что осуждение было подстроено, и каждое представление Энджиер ждал его визита за кулисы. Когда Лорд Колдлоу прибывает, чтобы забрать секреты, Борден обнаруживает, что он и есть Энджиер. Борден пытается отдать секреты своих трюков, но Колдлоу просто рвёт бумагу и уходит с Джесс, решив стать её воспитателем и тем самым максимально отомстить Бордену за жену. В последнем визите Борден говорит Фелону, чтобы тот жил за них обоих, затем следует казнь Бордена...
