푸르고 푸른 하늘 그리고 희고 낮은 도시 담장으로 평화로움을 느끼게 해주는 미국의 소도시. 방학 중 집에 들른 대학생 제프리(Jeffrey Beaumont: 카일 맥라클란 분)는 집뒤를 산책하다가 사람의 귀가 짤려져 버려진 것을 발견한다. 그는 경찰서에 가서 윌리암 형사(Detective Williams: 죠지 딕커슨 분)에게 신고하지만 윌리암은 아무런 조사도 하지 않으려 한다. 윌리암 형사의 딸 샌디(Sandy Williams: 로라 던 분)로부터 "블루 벨벳"을 노래하는 매력적인 여가수 도로시(Dorothy Vallens: 이사벨라 로셀리니 분)가 살인 용의자로 조사를 받았음을 알게된 제프리는 몰래 도로시의 아파트를 들어가 본다. 제프리가 아파트를 살펴보고 있을때 도로시가 들어오고 제프리는 옷장 안에 숨게 되는데 그때 전화벨이 울린다. 마약밀매자 프랭크(Frank Booth: 데니스 호퍼 분)에 의해 납치된 그녀의 남편과 아들을 살려달라고 애원하는 도로시. 그리고 곧 제프리는 샤워를 하기 위해 옷을 벗는 도로시를 보게 된다. 그러나 도로시는 이상한 인기척을 느끼고 칼을 든 채 옷장문을 열고, 제프리에게 무엇을 보았는가 추궁한 후 옷을 벗으라고 명령한다. 그리고 그녀와 관계를 맺게 되지만 갑작스래 방문한 프랭크에 의해 다시 제프리는, 옷장안에 숨어 도로시를 학대함으로써 성적 만족을 느끼는 프랭크와 그에게 학대당하는 도로시의 관계를 보게 된다. 프랭크가 떠나고 다시 옷장 밖으로 나온 제프리는 도로시와 정상적이지 못한 관계를 갖는다. 프랭크의 마수에서 도로시를 구해내려는 제프리는 천사같은 샌디와 연민으로 시작된 도로시와의 사랑사이에서 방황하면서 소름끼치는 공포에 휘말린다.

알 수 없는 기류가 흐르는 영화. 겉으로는 그지없이 평온해 보이는 미국의 소도시를 배경으로 전개되는 침울하고 이색적인 분위기를 풍긴다. 첫 장면은 과장되게 아름다운 노란 꽃이 피어 있고, 주제가 '블루 벨벳'이 청아하게 울려나온다. 어떤 중년 남자가 정원에서 물을 뿌리다가 뒷골을 잡고 쓰러진다. 카메라는 슬슬 잔디 속으로 기어들고, 곤충들이 우굴대는 이상한 물체를 비춘다. 그것은 잘려진 귀이다. 수수께끼같은 진행은 이내 카페에서 '블루 벨벳'을 부르는 도로시(이사벨라 롯셀리니)에게로 향한다. 아버지가 병중인 제프리 보몽(카일 맥라클란)은 병원에 가다가 풀밭에서 우연히 귀를 줍는다. 그는 가까운 이웃의 경찰관 집에 들렀다가 샌디(로라 던)을 만난다. 둘은 야간 산책을 하며, 이야기를 나누지만 어딘가 겉돈다. 그러다 카페 가수 도로시를 알게 되고, 그녀에게 호기심을 가진 제프리는 그녀의 집에 숨어든다. 벽장 속에 들어간 그가 본 것은 말로 설명하기 힘든 괴이한 행동과 학대와 변태적인 섹스. 이런 행동을 하는 무지막지한 자는 정체불명의 사내 프랭크 부스(데니스 호퍼)다. 그는 새디스트이지만, 어쩐 일인지 도로시를 '엄마'로 부르기도 한다. 그에게 순응하는 도로시는 제프리에게 충고하지만, 그는 이미 그녀에게 빠진 뒤다. 마침내 프랭크는 그들을 사로잡고, 어디론가 낯선 공간으로 데려간다. 그리고 그 장소의 주인 벤(딘 스톡웰)이 립싱크하는 로이 오비슨의 몽환적인 노래 'In Dreams'를 듣는다. 무시무시한 순간들이 지나고, 도로시를 잃은 제프리는 샌디에게 돌아오고, 그들의 사이를 봉합하듯 감미로운 사랑의 테마곡이 흐른다.