Dans les rues étroites et sombres de Montmartre erre le docteur Gogol bientôt subjugué par le spectacle d'une actrice se soumettant aux pires tortures sous les yeux d'un public sadique. Cette actrice vedette du "Théâtre des horreurs" c’est Yvonne Orlac, épouse du célèbre compositeur et musicien. Yvonne donne à cette occasion sa dernière représentation, le couple prévoyant d’entamer un voyage pour célébrer enfin leurs noces maintenant que leurs engagements respectifs arrivent à leur terme.
Désemparé face à cette nouvelle, Gogol ne pourra se retenir d’avouer son amour à la comédienne avant de la quitter, s’imaginant ne plus jamais revoir cette muse qu’il a conscience de révulser pas son apparence d’aristocrate décadent.
Remontant ce même soir vers Paris après un concert, Stephen Orlac est victime du déraillement de son train dans lequel ses mains seront à tel point endommagées que l’amputation s’impose selon les médecins chargés des victimes. Pour sauver la carrière de son mari, Yvonne se résout à supplier Gogol de réparer les dégâts infligés au corps de Stephen. Voyant dans cette situation l’espoir de conquérir celle qu’il aime et dont il a conservé, en guise de morbide souvenir, la statue de cire qui ornait autrefois l’entrée du théâtre où elle se donnait en spectacle, le chirurgien va secrètement greffer au musicien les mains de Rollo, un meurtrier et lanceur de couteau dont il assistait le matin même à l’exécution.
L’opération est un succès mais Stephen est incapable malgré tous ses efforts et séances de rééducation d’interpréter le moindre morceau au piano. Pire encore, il ne reconnaît plus ses mains mutilées dans l’accident qui semblent désormais obéir à d’étranges pulsions meurtrières. Alerté par la disparition du cadavre de Rollo dont il est sensé rédiger la nécro, un journaliste américain remue ciel et terre pour retrouver trace de son corps. L’un après l’autre, les indices le mènent en direction de la clinique du mystérieux Gogol. Le médecin profite de la confiance que lui voue Stephen pour le convaincre qu’il succombe à la folie. Dévoré par la solitude et la déception amoureuse, il s’abandonnera bientôt lui-même à l’étreinte d’une terrible démence.
Adaptation très libre du roman de Maurice Renard et donc très éloignée de la version muette et allemande de Robert Wiene de 1924. Le titre original est d'ailleurs Mad Love et non pas Les mains d'Orlac et, surtout, le personnage principal n'est par Orlac, joué par Conrad Veidt chez Wiene, mais le docteur Gogol, interprété par Peter Lorre. Il s'agit bien moins d'une rédemption par l'amour que d'une lente descente dans la folie.