Negli anni cinquanta, la giovane Baby Doll (Emily Browning), accusata ingiustamente di aver ucciso la sorella in un attacco di pazzia, viene portata dal patrigno nell'istituto di igiene mentale Lennox House for the Mentally Insane. L'uomo intende farla lobotomizzare per impedirle di rivelare alla polizia che in realtà l'omicidio è stato commesso intenzionalmente da lui, che grazie alla morte della figliastra più piccola e all'internamento di Baby Doll, diverrà l'unico destinatario dell'ingente eredità che la madre delle due ragazze ha lasciato loro.

Cinque giorni dopo, mentre Baby Doll sta per subire la lobotomia, l'ambiente diventa un colorato e decadente bordello burlesque, in cui lei è stata portata per ballare e compiacere un misterioso "Giocatore", che arriverà fra cinque giorni. Qui farà la conoscenza di Rocket (Jena Malone), sua sorella maggiore Sweet Pea detta Sweetie (Abbie Cornish), Blondie (Vanessa Hudgens) e Amber (Jamie Chung), detenute/ballerine che come lei sognano di fuggire.....