Clarice Starling, une jeune stagiaire du FBI, est chargée d’une mission par Jack Crawford, le chef de la division du FBI qui établit les profils psychologiques des tueurs en série. Starling doit présenter un questionnaire au brillant psychiatre légiste et tueur en série cannibale, Hannibal Lecter. Lecter purge neuf peines consécutives de prison à vie dans un établissement psychiatrique du Maryland pour une série de meurtres.
La véritable intention de Crawford, cependant, est d’essayer de solliciter l’aide de Lecter dans la chasse à un tueur en série surnommé « Buffalo Bill », dont le mode opératoire consiste à kidnapper des femmes en surpoids, à les affamer jusqu’à deux semaines, à les tuer et les dépecer, et à jeter les restes dans les rivières voisines. Le surnom a été lancé par la brigade criminelle de Kansas City comme une blague de mauvais goût selon laquelle « il aime écorcher ses bosses ». Tout au long de l’enquête, Starling retourne périodiquement chez Lecter à la recherche d’informations, et les deux forment une relation étrange dans laquelle il lui offre des indices cryptiques en échange d’informations sur son enfance troublée et morne d’orpheline.
Lorsque la sixième victime de Bill est retrouvée en Virginie occidentale, Starling aide Crawford à pratiquer l’autopsie. Starling trouve une chrysalide dans la gorge de la victime, et comme Lecter l’avait prédit, elle a été scalpée. Des morceaux de peau triangulaires ont également été prélevés sur ses épaules. De plus, les rapports d’autopsie indiquent que Bill l’a tuée dans les quatre jours suivant sa capture, bien plus rapidement que ses précédentes victimes. Starling emmène la chrysalide au Smithsonian, où elle est d’abord identifiée comme étant le papillon de nuit de la sorcière noire, une espèce qui ne se rencontre pas naturellement là où la victime a été trouvée, bien que plus tard elle soit identifiée comme étant le papillon de nuit à tête de mort, une espèce encore plus exotique qui devrait être élevée en captivité à partir d’œufs importés.
Sur la base de la prédiction de Lecter, Starling croit qu’il sait qui est réellement Buffalo Bill. Elle demande à Crawford pourquoi on l’a envoyée pêcher des informations sur Buffalo Bill sans lui dire qu’elle le faisait ; Crawford prétend que si elle avait eu un objectif, Lecter l’aurait senti et n’aurait jamais parlé.
Dans le Tennessee, Catherine Baker Martin, fille du sénateur Ruth Martin, est kidnappée. Six heures plus tard, son chemisier est retrouvé sur le bord de la route, fendu dans le dos : La carte de visite de Buffalo Bill. Il la piège dans une oubliette et commence à l’affamer. Crawford est informé que le président des États-Unis a exprimé un « intérêt intense » pour cette affaire et qu’il est préférable de réussir à la sauver. Crawford estime qu’ils ont trois jours avant que Catherine ne soit tuée. Starling est envoyée à Lecter pour lui proposer un marché : s’il participe au sauvetage de Catherine et à la capture de Buffalo Bill, il sera transféré hors de l’asile, ce qu’il a toujours désiré. Lecter exprime son scepticisme quant à l’authenticité de l’offre, mais il ne croit pas que Starling lui mentirait intentionnellement.
Après le départ de Starling, Lecter se remémore le passé, se rappelant une conversation avec Benjamin Raspail, un ancien patient qu’il avait fini par assassiner. Au cours de séances de thérapie, Raspail a parlé à Lecter d’un ancien amant, Jame Gumb : Après que Raspail ait quitté Gumb et commencé à sortir avec un marin nommé Klaus, Gumb est devenu jaloux et a assassiné Klaus, utilisant sa peau pour fabriquer un tablier. Raspail a également révélé que Gumb a eu une révélation en regardant l’éclosion d’un papillon.
Les ruminations de Lecter sont interrompues lorsque le Dr Frederick Chilton – l’administrateur de l’asile et l’ennemi juré de Lecter – intervient. Un dispositif d’écoute lui a permis d’enregistrer l’offre de Starling, et Chilton a découvert que l’accord de Crawford est un mensonge. Il propose le sien : Si Lecter révèle l’identité de Buffalo Bill, il sera effectivement transféré dans un autre asile, mais seulement si Chilton a le mérite de lui avoir soutiré l’information. Lecter accepte, mais insiste pour pouvoir donner l’information au sénateur Martin en personne, dans le Tennessee. A l’insu de Chilton, Lecter a secrètement rassemblé les ingrédients d’un crocheteur de menottes improvisé, dont il déduit qu’il sera utile à un moment ou à un autre du voyage.
Dans le Tennessee, Lecter joue brièvement avec la sénatrice Martin, s’amusant de l’angoisse de la femme, mais finit par lui donner des informations sur Buffalo Bill : il s’appelle William « Billy » Rubin, et il a souffert de « l’anthrax de l’ivoire d’éléphant », une maladie de coutelier. Il fournit également une description physique précise. Le nom, cependant, est un leurre : la bilirubine est un pigment de la bile humaine et un agent colorant principal des excréments humains, que le laboratoire médico-légal compare à la couleur des cheveux de Chilton.
Starling tente une dernière fois d’obtenir des informations de Lecter alors qu’il est en garde à vue. Il offre un dernier indice – « nous convoitons ce que nous voyons tous les jours » – et exige d’entendre son pire souvenir. Starling révèle qu’après la mort de son père, elle a été envoyée chez un cousin dans un ranch de moutons et de chevaux. Une nuit, elle a découvert que le fermier abattait les agneaux de printemps et s’est enfuie, terrorisée, avec une jument également destinée à l’abattoir, qu’elle a nommée Hannah. Le fermier la rattrape et l’envoie dans un orphelinat, où elle passe le reste de son enfance. Lecter, voyant le parallèle entre les agneaux sans défense et Catherine, également sans défense, la remercie pour sa franchise et tous deux partagent un bref moment de complicité avant que Chilton ne la force à partir. Peu après, Lecter s’échappe en tuant et éviscérant ses gardes, utilisant l’un de leurs visages comme masque pour tromper les ambulanciers.
Starling poursuit sa recherche de Buffalo Bill, déduisant qu’il connaissait sa première victime, Fredrica Bimmel, dans la vie de tous les jours. Elle visite la maison familiale de Fredrica et découvre qu’elle et Buffalo Bill étaient tous deux des tailleurs accomplis et qu’il tue les femmes afin de se confectionner un » costume « , ayant fini par croire qu’il était transsexuel mais jugé trop fou pour demander un changement de sexe. En démarchant les associés connus de Bimmel, elle aboutit chez un certain Jame Gumb, couturier et maroquinier. Elle aperçoit chez lui un papillon de nuit à tête de mort et sait qui elle a trouvé ; cependant, Gumb s’enfuit dans sa cave. Starling, armée seulement d’un revolver mais consciente qu’appeler des renforts entraînerait la mort de Catherine, le suit et le tue après une longue poursuite. Catherine est rendue à sa famille physiquement indemne.
Lecter écrit ensuite une lettre de félicitations à Starling, dans laquelle il espère que « les agneaux ont cessé de crier » et indique qu’il n’a pas l’intention de la poursuivre. Il prédit également avec justesse que le sauvetage de Catherine Martin a peut-être apporté un certain soulagement à Clarice, mais que le silence ne sera jamais éternel, ce qui annonce ses motivations pour la poursuite de sa carrière au FBI. Le roman se termine avec Clarice dormant paisiblement « dans le silence des agneaux ».