高谭市的黑暗势力又开始蠢蠢欲动了，这次是毁了半边脸的“双面人”（汤米•李•琼斯TommyLeeJones饰）。一次，“双面人”袭击了马戏团，演员迪克（克里斯•奥唐纳ChrisO’Donnell饰）阻止了“双面人”的阴谋，家人却因此惨遭杀害。布鲁斯（瓦尔•基尔默ValKilmer饰）收留了迪克，并说服了满腔仇恨的迪克留了下来。因研究计划被拒绝而仇视韦布斯的公司职员爱德华（金•凯瑞JimCarrey饰）成功研究出脑波吸收装置，化身成为“谜语侠”。“双面人”和“谜语侠”联手破坏高谭市，并通过脑电波吸收装置大量吸收市民的脑电波。蝙蝠侠这次的对手强大得可怕，蝙蝠侠最终能否战胜罪恶？
在哥谭市，当地治安维持者/超级英雄 蝙蝠侠化解了由一名被称为“两张脸”的罪犯（前地区检察官 哈维·登特）精心策划的人质事件。闪回显示，“两张脸”被黑帮萨尔·马罗尼用酸毁容，蝙蝠侠未能阻止，导致登特出现人格分裂。
韦恩企业公司的古怪研究员爱德华·尼格玛向他的雇主布鲁斯·韦恩（蝙蝠侠的平民身份）提出了一项发明，可以将电视信号直接发送到人的大脑中。布鲁斯拒绝使用该设备，因为担心该技术可能会操纵思想。在杀死了虐待他的上司并将其伪装成自杀后，尼格玛辞职并密谋报复布鲁斯，并向他发送了谜语。犯罪心理学家 蔡斯·默里迪恩诊断尼格玛患有精神病。
那天晚上，布鲁斯和蔡斯一起参加了哈利马戏团的活动。两张脸劫持了这次活动，并威胁要引爆炸弹，除非蝙蝠侠透露自己的身份。杂技演员理查德·“迪克”·格雷森是飞天格雷森家族中最年轻的成员，他设法将炸弹扔进河里，但“两张脸”在这个过程中杀死了他的家人。布鲁斯说服孤儿迪克作为他的监护人住在韦恩庄园，在那里他发现布鲁斯就是蝙蝠侠。迪克决心为家人报仇，要求加入蝙蝠侠打击犯罪，希望杀死“两张脸”，但布鲁斯拒绝了。
与此同时，尼格玛采用了犯罪角色“谜语人”，并与“两张脸”结盟。他们实施了一系列抢劫，为尼格玛的新公司提供资金，并批量生产他的脑电波设备“盒子”，该设备从用户的头脑中窃取信息并将其传输到尼格玛的头脑中，这使他在此过程中变得更加聪明。在尼格玛举办的派对上，蝙蝠侠追击“两张脸”，差点被杀，直到迪克救了他。
蝙蝠侠拜访蔡斯，蔡斯解释说她已经爱上了布鲁斯，并向她透露了他的秘密身份。谜语人和双面人通过盒子发现了布鲁斯的秘密，摧毁了蝙蝠洞，射杀了布鲁斯并绑架了蔡斯。当布鲁斯康复后，他和他的管家阿尔弗雷德推断出尼格玛就是谜语人。布鲁斯最终接受迪克作为蝙蝠侠的搭档罗宾。
在谜语人的巢穴中，罗宾几乎杀死了“两张脸”，但幸免于难，让后者用枪指着前者。谜语人透露，蔡斯和罗宾被绑在一个致命坠落上方的管子里，堵住了嘴，让蝙蝠侠有机会只救一个人。蝙蝠侠用一个谜语分散了谜语人的注意力，然后用蝙蝠镖摧毁了谜语人的脑电波接收器，耗尽了谜语人的思想，并让蝙蝠侠营救了两人。“两张脸”将他们逼到墙角，并通过掷硬币来决定他们的命运，但蝙蝠侠向空中扔了一把一模一样的硬币，导致“两张脸”在混乱中绊倒并摔死。
尼格玛被送进了阿卡姆疯人院，现在他宣称自己是蝙蝠侠，拍打着紧身衣的手臂，现在完全是妄想症。布鲁斯以蝙蝠侠身份继续征战，罗宾则成为他的搭档。