Negli anni 50 la giovane Baby Doll (Emily Browning) viene accusata ingiustamente di aver ucciso la sorella in un attacco di pazzia e chiusa in manicomio. Il racconto della pellicola si snoda nei cinque giorni prima che venga lobotomizzata. Nel corso della detenzione, la nostra stringe amicizia e alleanza con Rocket (Jena Malone) e la sua sorella maggiore Sweet Pea (Abbie Cornish), nonché con Blondie (Vanessa Hudgens) e Amber (Jamie Chung), le quali sognano la fuga come Baby Doll. Il manicomio appare una declinazione degli incubi delle protagoniste: le cinque detenute si ritrovano a ballare in un bordello burlesque. Durante una lezione di danza sensuale della maestra Vera Gorski (Carla Gugino), Baby Doll si ritrova catapultata in un tempio del Giappone feudale dove incontra un uomo che le suggerisce come scappare dall'istituto, dicendole che serviranno cinque oggetti: una mappa, un fuoco, un coltello e una chiave…