События фильма развернулись в вымышленном немецком городке на севере, у голландской границы, который был умышленно назван Хольстенваллем. И вот там как-то раз устраивается ярмарка с каруселями и площадными представлениями. На ней доктор Калигари, загадочный господин в очках, зазывает публику поглядеть на сомнамбулу Чезаре. За разрешением на представление Калигари отправляется в муниципалитет, где высокомерный чиновник непочтительно обходится с ним. Наутро чиновника находят убитым в кабинете, что не мешает горожанам с прежним жаром предаваться ярмарочным увеселениям. Вместе с толпой зевак в балаган доктора Калигари приходят Фрэнсис и Алан, студенты, влюбленные в дочь лекаря Джейн. На глазах у них Чезаре медленно выходит из вертикально стоящего ящика, похожего на гроб, а Калигари сообщает завороженной публике, что сомнамбула умеет предсказывать будущее. Возбужденный зрелищем, Алан спрашивает у Чезаре, долго ли ему жить. Сомнамбула открывает рот — он явно во власти неодолимой гипнотической силы, исходящей от его господина, — и отвечает: "До рассвета". Наутро Фрэнсис узнает, что его друг заколот точно таким же образом, как и чиновник из муниципалитета. Студент, заподозрив Калигари в убийстве, убеждает отца Джейн помочь ему начать расследование. Получив ордер на обыск, они, пробившись сквозь толпу к фургону Калигари, требуют, чтобы тот вывел из сомнамбулического состояния своего подопечного. Однако в этот момент их призывают в полицейский участок, где они должны присутствовать на допросе преступника. Тот пытался убить женщину, попался в руки полиции и упорно твердит, что он не убийца, которого давно разыскивают.
Фрэнсис продолжает следить за Калигари и после полуночи тайком заглядывает в оконце его балагана. Ему кажется, что Чезаре находится в ящике, — на самом же деле Чезаре, прокравшись в спальню Джейн, заносит кинжал над спящей девушкой, Намереваясь заколоть ее, он окидывает Джейн долгим взглядом, потом отбрасывает в сторону кинжал и, схватив Джейн, с криком бежит прочь. Настигнутый ее отцом, Чезаре выпускает из рук девушку, которую уносят домой, а ее похититель умирает от нервного потрясения. И поскольку Джейн, не слушая возражений Фрэнсиса, утверждает, что узнала Чезаре, тот во второй раз отправляется к Калигари, чтобы разгадать мучительную загадку. Сопровождающие Фрэнсиса полицейские хватают похожий на гроб ящик, и Фрэнсис вытаскивает из него… куклу, двойника сомнамбулы. Воспользовавшись смятением сыщиков, Калигари спасается бегством и прячется в доме умалишенных. Студент устремляется за ним, требует директора психиатрической лечебницы, чтобы справиться у него о беглеце, и застывает от ужаса: директор лечебницы и Калигари одно и то же лицо.
На следующую ночь, пока директор спал, Фрэнсис с помощью троих медицинских служащих, которым он доверился, обыскивает кабинет Калигари и находит улики, полностью доказывающие его вину. Среди книг они обнаруживают старый том о фокуснике XVIII века, который, разъезжая по Северной Италии, заставлял под гипнозом медиума Чезаре убивать любого, кто попадется под руку, а пока тот отсутствовал, держал для обмана полиции его восковую фигуру. Главное изобличение директора — его собственноручные клинические записи. Они повествуют о том, как тот хотел проверить рассказ о гипнотической власти Калигари, как его желание переросло в одержимость и, когда сомнамбула оказался под его попечением, он не устоял перед искусом проделать с ним эти ужасные опыты. Директор полностью слился с личностью Калигари. Чтобы вырвать у него признание в преступлениях, Фрэнсис показывает директору труп его послушного раба-сомнамбулы. И как только этот страшный человек понимает, что Чезаре мертв, им овладевает буйное помешательство, и служители сумасшедшего дома надевают на него смирительную рубашку.
Эта зловещая история в духе Э.-Т.-А. Гофмана была откровенно революционной. В ней, по словам Яновица, они вместе с Карлом Майером заклеймили произвол государственных властей, которые ввели всеобщую воинскую повинность и запалили фитиль войны. Немецкое милитаристское правительство казалось авторам прототипом кровожадной власти Калигари. Подданные австро-венгерской монархии, они были в лучшем положении по сравнению с большинством германских граждан. Поэтому им удалось понять роковые тенденции, присущие немецкой государственной системе. Она живо воплотилась в образе Калигари: он проповедует неограниченную власть, которая обожествляет произвол и, удовлетворяя страсть к господству над остальными, беззастенчиво попирает все человеческие права и ценности. Будучи послушным орудием в руках Калигари, Чезаре в такой же степени убийца и преступник, как и невинная жертва Калигари. Так, по крайней мере, его замыслили авторы. По словам пацифистски настроенного Яновица, они создали Чезаре в смутном желании нарисовать портрет обыкновенного человека, который под давлением принудительной воинской повинности обучился убивать и безропотно класть голову на поле боя.