Clarice Starling, een jonge stagiaire bij de FBI, wordt gevraagd een opdracht uit te voeren door Jack Crawford, het hoofd van de FBI-afdeling die psychologische profielen van seriemoordenaars opstelt. Starling moet een vragenlijst voorleggen aan de briljante forensisch psychiater en kannibalistische seriemoordenaar, Hannibal Lecter. Lecter zit negen keer levenslang uit in een psychiatrische inrichting in Maryland voor een serie moorden.
Crawfords echte bedoeling is echter om Lecters hulp in te roepen bij de jacht op een seriemoordenaar die “Buffalo Bill” wordt genoemd. Zijn werkwijze bestaat uit het ontvoeren van vrouwen met overgewicht, ze twee weken uit te hongeren, ze te doden en te villen, en de resten in rivieren in de buurt te dumpen. De bijnaam werd door Kansas City Moordzaken bedacht als een zieke grap dat “hij ervan houdt zijn billen te villen”. Gedurende het onderzoek keert Starling regelmatig terug naar Lecter op zoek naar informatie, en de twee vormen een vreemde relatie waarin hij haar cryptische aanwijzingen geeft in ruil voor informatie over haar getroebleerde en sombere jeugd als wees.
Wanneer Bills zesde slachtoffer wordt gevonden in West Virginia, helpt Starling Crawford met het uitvoeren van de autopsie. Starling vindt een pop in de keel van het slachtoffer, en net zoals Lecter voorspelde, is ze gescalpeerd. Er zijn ook driehoekige stukken huid van haar schouders gehaald. Bovendien blijkt uit de autopsierapporten dat Bill haar binnen vier dagen na haar gevangenneming heeft gedood, veel sneller dan zijn eerdere slachtoffers. Starling brengt de pop naar het Smithsonian, waar hij aanvankelijk wordt geïdentificeerd als de zwarte heksenmot, een soort die van nature niet voorkomt waar het slachtoffer werd gevonden, hoewel hij later wordt geïdentificeerd als de doodskopmot, een nog exotischer soort die in gevangenschap zou moeten worden gekweekt uit geïmporteerde eieren.
Op basis van Lecters voorspelling gelooft Starling dat hij weet wie Buffalo Bill werkelijk is. Ze vraagt Crawford waarom ze is gestuurd om naar informatie over Buffalo Bill te vissen zonder dat haar was verteld dat ze dat deed; Crawford beweert dat als ze een agenda had gehad, Lecter dat zou hebben aangevoeld en er nooit over zou hebben gesproken.
In Tennessee wordt Catherine Baker Martin, de dochter van senator Ruth Martin, ontvoerd. Binnen zes uur, wordt haar blouse langs de weg gevonden, van achteren opengesneden: Buffalo Bill’s visitekaartje. Hij sluit haar op in een oubliette en begint haar uit te hongeren. Crawford krijgt te horen dat niet minder dan de president van de Verenigde Staten “intense interesse” in de zaak heeft getoond, en dat een succesvolle redding de voorkeur heeft. Crawford schat dat ze drie dagen hebben voordat Catherine wordt vermoord. Starling wordt naar Lecter gestuurd met het aanbod van een deal: als hij helpt bij Catherine’s redding en Buffalo Bill’s gevangenneming, zal hij uit de inrichting worden overgeplaatst, iets waar hij voortdurend naar heeft verlangd. Lecter uit zijn scepsis over de echtheid van het aanbod, maar hij gelooft niet dat Starling opzettelijk tegen hem zou liegen.
Nadat Starling is vertrokken, haalt Lecter herinneringen op aan het verleden, waarbij hij terugdenkt aan een gesprek met Benjamin Raspail, een vroegere patiënt die hij uiteindelijk had vermoord. Tijdens de therapie sessies, vertelde Raspail Lecter over een vroegere minnaar, Jame Gumb: Nadat Raspail Gumb verliet en begon uit te gaan met een matroos genaamd Klaus, werd Gumb jaloers en vermoordde Klaus, waarbij hij zijn huid gebruikte om een schort te maken. Raspail onthulde ook dat Gumb een openbaring had toen hij een vlinder zag uitkomen. Lecters overpeinzingen worden onderbroken als Dr Frederick Chilton – de beheerder van het gesticht en Lecters zelfbenoemde aartsvijand – binnenvalt. Met een afluisterapparaat kon hij Starlings aanbod opnemen, en Chilton heeft ontdekt dat Crawfords deal een leugen is. Hij biedt er zelf een aan: Als Lecter Buffalo Bill’s identiteit onthult, wordt hij inderdaad overgeplaatst naar een ander gesticht, maar alleen als Chilton de eer krijgt de informatie van hem te krijgen. Lecter stemt toe, maar staat erop dat hij de informatie persoonlijk aan senator Martin in Tennessee mag geven. Chilton weet niet dat Lecter in het geheim de ingrediënten heeft verzameld voor een geïmproviseerde handboei lockpick, waarvan hij denkt dat die ooit van pas zal komen tijdens de reis.
In Tennessee speelt Lecter kort met Senator Martin, genietend van de angst van de vrouw, maar geeft haar uiteindelijk informatie over Buffalo Bill: zijn naam is William “Billy” Rubin, en hij heeft geleden aan “olifant ivoor antrax”, een messenmakersziekte. Hij geeft ook een nauwkeurige fysieke beschrijving. De naam is echter een afleidingsmanoeuvre: bilirubine is een pigment in menselijke gal en een hoofdkleurstof in menselijke uitwerpselen, die het forensisch lab vergelijkt met de kleur van Chilton’s haar.
Starling probeert nog een laatste keer informatie uit Lecter te krijgen terwijl hij in politiebewaring wordt gehouden. Hij geeft een laatste aanwijzing – “we begeren wat we elke dag zien” – en eist haar ergste herinnering te horen. Starling onthult dat ze, na de dood van haar vader, bij een neef op een schapen- en paardenranch moest gaan wonen. Op een nacht ontdekte ze dat de boer de voorjaarslammeren slachtte, en ze vluchtte geschrokken weg met een merrie die ook voor de slacht bestemd was en die ze Hannah noemde. De boer ving haar en stuurde haar naar een weeshuis, waar ze de rest van haar jeugd doorbracht. Lecter, die de gelijkenis ziet tussen de hulpeloze lammeren en de al even hulpeloze Catherine, bedankt haar voor haar openhartigheid, en de twee delen een kort moment van verbondenheid voordat Chilton haar dwingt te vertrekken. Kort daarna ontsnapt Lecter door zijn bewakers te doden en te verminken, waarbij hij een van hun gezichten gebruikt als masker om verplegers voor de gek te houden.
Starling zet haar zoektocht naar Buffalo Bill voort en leidt daaruit af dat hij zijn eerste slachtoffer, Fredrica Bimmel, uit het dagelijks leven kende. Ze bezoekt Fredrica’s ouderlijk huis en ontdekt dat zowel zij als Buffalo Bill volleerde kleermakers waren en dat hij de vrouwen vermoordde om een ‘pak’ voor zichzelf te maken, nadat hij tot de overtuiging was gekomen dat hij transseksueel was, maar te krankzinnig werd geacht om een geslachtsverandering aan te vragen. Door Bimmel’s bekenden te ondervragen, komt ze terecht in het huis van Jame Gumb, een kleermaker en leerbewerker. Ze ziet een doodskopvlinder in zijn huis en weet wie ze heeft gevonden; Gumb ontsnapt echter in zijn kelder. Starling, slechts gewapend met een revolver maar zich ervan bewust dat het roepen om versterking zal resulteren in Catherine’s dood, volgt hem naar beneden en doodt hem na een langdurige achtervolging. Catherine wordt lichamelijk ongedeerd teruggebracht bij haar familie.
Lecter schrijft vervolgens een felicitatiebrief aan Starling, waarin hij hoopt dat “de lammeren zijn gestopt met schreeuwen” en aangeeft dat hij niet van plan is haar te achtervolgen. Hij voorspelt ook correct dat het redden van Catherine Martin Clarice misschien wat verlichting heeft gebracht, maar dat het zwijgen nooit eeuwig zal duren, waarmee hij haar motieven voor een verdere carrière bij de FBI verklapt. De roman eindigt met Clarice die vredig slaapt “in de stilte van de lammeren”.