배경은 1920년대 후반의 프랑스 파리. 제정 러시아 시대의 장군 부닌(율 브리너)은 러시아 혁명 후 국외 추방된 신세. 어느날 그는 자살을 시도하는 여인(잉그리드 버그만)을 구출하는데, 그녀가 공주 아나스타샤를 꼭 닮았다는 사실에 깜짝 놀란다. 공주 아나스타샤는 러시아 로마노프 왕조의 마지막 짜르 니콜라스의 딸이다. 혁명 후에 공주의 행방이 묘연했기에 그는 그녀가 공주일지도 모른다고 생각하지만, 그녀 자신은 기억상실증에 빠졌는지 자신의 신상에 대해 아무것도 기억하지 못한다. 그러자 부닌 장군은 그녀가 가짜라고 해도 아나타스탸 공주로 완벽하게 위장시켜 러시아 왕족이 유럽으로 빼돌린 재산을 가로챌 사기를 계획한다. 즉 아나스타샤의 신용으로 영국 은행에 예치돼 있는 천만 파운드의 돈을 인출할 수 있다는 계산이다. 부닌 장군의 이 계획에서 가장 큰 걸림돌은 실제 아나스타샤를 잘 아는 왕후 도웨이저(헬렌 헤이스)가 생존해 있다는 것. 왕후의 의심의 눈초리를 피하기 위해 부닌 장군은 기억상실증에 걸린 그 여자를 아나스타샤보다 더 아나스타샤답게 보이도록 교육시킨다. 그런데 이상하게도 그녀는 곧잘 러시아 왕실의 세세한 법도나 디테일한 사항을 기억해내 율 브리너를 당황에 빠뜨린다. 그녀가 진짜 아나스타샤일지도 모른다는 암시가 깔리고, 이들은 서서히 사랑하는 사이가 된다. 마침내 이들은 그녀의 정체를 확인하기 위해 친할머니를 찾아가게 된다.