La película empieza con Batman usando un nuevo traje y dirigiéndose al banco de para enfrentar una crisis de
rehenes a causa de Dos Caras, antes de entrar al banco llega a Gotham una psicóloga que trabajará con el departamento policial para estudiar la psique doble de Harvey Dent. Dos Caras le tiende una trampa a Batman; amordaza al vigilante del Banco en la bóveda para que Batman entrase y quedara encerrado, Dos Caras dice "con carnada viva se atrapa a un murcielago".
Batman cae en la trampa luego de enfrentarse a matones al servicio del villano, Dos Caras desde un helicóptero roba la bóveda con Batman y el vigilante adentro y ahí mismo derrama ácido adentro para matarlos a ambos. Batman con dificultad logra abrir la bóveda y poner al guardia a salvo, pero el héroe queda colgando del helicóptero en un vano intento de detener a Dos Caras, quien logra escapar.
Al día siguiente Bruce Wayne rechaza un experimento a Edward Nygma, un científico que trabaja en Empresas Wayne; su invento era un extraño aparato capaz de controlar las ondas cerebrales a voluntad al capturar las ondas de TV. Bruce lo rechaza debido a que su invento puede ser muy arriesgado y que generaría dudas y interrogantes éticas. Al rato Bruce viendo la Bati-señal, se dirige a la Batcueva para ver la situación. Luego se da cuenta que la Dra. Meridian ha puesto la señal para atraerlo y confesarle su interés profesional y amoroso, en medio de la conversacion ambos hicieron comentarios que hacian referenca a la Catwoman. Batman intenta resistirse a los encantos de la doctora pero no puede negar que siente lo mismo por ella.
Más tarde Nygma, se había quedado trabajando hasta tarde, decidido a mostrarle a Bruce que su invento no era arriesgado y es descubierto por su supervisor Fred Stickley y Nygma lo usa como su «conejillo de indias» para probar su invento, Nygma usó su invento para robar la inteligencia a Stickley, después de la prueba Stickley amenaza con denunciar a Nygma a las autoridades y lo despide, Nygma lo arroja desde una ventana alta al río matándolo y se dirige a las cámaras de seguridad para no dejar rastro de lo sucedido.
En la mañana siguiente, Bruce ve la historia de Dos Caras; tras la fuga de éste, donde permanecía encerrado. Dos Caras fue Harvey Dent, fiscal del distrito de Gotham que en un juicio contra el mafioso Salmantore, éste derramó ácido sobre la cara de Dent, desfigurándole la mitad de su rostro. Esto llevo a Dent a volverse loco y a partir de entonces emprendió una carrera criminal basada en la dualidad. Bruce y Alfred reciben una llamada del Comisionadio que les dice sobre un accidente en las Empresas Wayne. Bruce se dirige al lugar donde escucha la noticia de que Fred Stickley se había suicidado, Nygma fingía llorar su muerte mientras que Bruce y Gordon ven en las cámaras de seguridad, en lugar de ver el experimento realizado por Nygma y cuando este mata a Stckley, ven a un Stickley desesperado que se quita la vida arrojándose de la ventana. Uno de los asistentes del Comisionado le entrega a ambos una carta escrita por Stickley (en verdad escrita por Nygma usando su letra) donde decía "adiós mundo cruel".
Bruce no está muy convencido de que Stickley se haya suicidado y junto a su secretaria Maggie descubren una adivinanza dejada secretamante por Nygma en su despacho. Esa noche Nygma se dirige a su hogar para preparar la siguiente adivinanza, su habitación está llena de fotos de Bruce Wayne y muñecos con ropa verde y signos de interrogación. Ya preparado el acertijo, Nygma lo deja en las puertas de la mansión Wayne.
A la mañana siguiente Bruce se dirige a la Jefatura de Policía, donde el Comisonado Gordon le había aconsejado con la Dra Chase Meridian, antes de entrar Bruce oye que Chase está dando golpes, creyendo que ella estaba en problemas derriba su puerta para ver que a lo que le estaba dando golpes era un saco de boxeo. Bruce se disculpa y se conoce con la hermosa doctora, ella al ver los acertijos diagnostica que el remitente es un loco de remate; una persona obsesionada por Bruce a tal punto de querer matarlo para matar su fijación. Bruce ve una muñeca guardiana de sueños malaya (segun el mito, la muñeca protege a la persona de sus pesadillas), Chase nota tristeza en Bruce, quien disimula y la invita al circo de caridad de Gotham.
Bruce y Chase asisten al circo de Gotham, Chase le cuenta a Bruce que se enamoró de Batman y ven a una familia de acróbatas conocidos como los Flying Graysons (Grayson Voladores en España y Tapia Voladores en Hispanoamérica), luego el hijo menor Dick hace un salto mortal sin la red de seguridad. Luego el presentador del circo es secuestrado por Dos Caras y este hace su presentación poniendo una bomba de tiempo con dos minutos para que alguno de los presentes revelara su identidad de Batman, Bruce le grita que es el pero la gente que gritaba de pánico hizo que el villano no lo escuchara. Bruce empieza a golpear a los secuaces de Dos Caras mientras que los Grayson intentan sacar la bomba, Dos Caras da muerte a la familia de acróbatas y escapa dejando sólo a un hijo; Dick (en Hispanoamérica Ricardo) quien salvó la vida de la gente del circo al sacar la bomba y tirarla al río.
En la mañana siguiente Bruce adopta al joven Grayson pero este no quiere quedarse mucho tiempo, este decidido a vengar a sus padres matando a Dos Caras, Bruce vanamente lo intenta disuadir de su decisión. Bruce lo convence de quedarse y este al ver las fotos de sus padres empieza a sentir su recuerdo y lo compara con lo sucedido a los padres de Dick diciendo "está pasando de nuevo, un monstruo sale de la noche, un grito y dos disparos, yo los maté", Alfred sorprendido de las palabras de Bruce intenta calmarlo, en ese momento sale la Batseñal, Bruce decide ir a la acción mientras que Alfred cuidaría a Dick. Mientras Batman hace frente a Dos Caras, Dick se instala en la habitación dada por Bruce, Alfred ve el dibujo de un petirrojo en el casco de motociclista de Dick, el le cuenta que hacia un tiempo la cuerda de su hermano se rompió de una gran altura y Dick logró salvarlo y que había volado como un petirrojo (en latino su padre como premio por su hazaña le dio un petirrojo al que llamó Robin). Alfred lo alienta diciendo que alas heridas se curarían y que Robin volvería a volar.
Por otra parte, y como venganza, Edward adopta el apodo de Riddler (Enigma en España y El Acertijo en Hispanoamérica) para acabar con Bruce Wayne, localiza a Dos Caras y ambos forman alianza. Dos Caras antes quiere matarlo por entrar a su escondite sin permiso pero Riddler le propone robar dinero para producir mas cajas (su invento rechazado por Bruce) a cambio de revelar la identidad de Batman. Ambos villanos roban casinos, joyerías, etc y Batman nunca estuvo para detenerlos. Cuando Bruce veía las noticias matutinas de ambos villanos, Alfred le trae otro acertijo, Bruce intenta averiguar que conectaba a los tres acertijos enviados sin éxito. Dick intenta abrir una puerta cerrada, Alfred le dice que es el cuarto de la platería pero aprovechando un descuido de Alfred descubre la entrada a la Batcueva. Por otra parte Edward anuncia la creación de Nygmatech promocionando su invento diciendo que el espectador sentiría la emoción de la TV, ahora con el edificio de NygmaTech como guarida, Acertijo y Dos Caras se alimentaban de la inteligencia de los ciudadanos. El edificio Nygmatech era un enormee complejo hecho con el dinero robado ubicado en Claw Island en Gotham con una enorme Caja encima del edificio la cual tenia un control inalambrico con el que Riddler se alimentaba mas de las ondas cerebrales.
Mientras Chase y Bruce tienen una cita, Chase le regala una guardiana de sueños a Bruce, este la acepta pero Bruce al ver fotos de Batman en su escritorio finge sentir celos, Chase le dice que la persona que era Batman hacia su lucha como penitencia por algún mal que cometió, justo cuando se besaban, Alfred llama a Bruce diciendo que Dick se había "ido de viaje" y se había llevado "el auto". Dick había robado el Batmóvil y se había ido a las calles más peligrosas de Gotham para rescatar a una joven asaltada por una pandilla, hasta que llega Batman y se lleva a Dick a la Batcueva. Dick aún insiste en vengarse de Dos Caras pero Bruce le advierte que si se venga su dolor no se ira, buscara a otro y a otro y un día se dará cuenta que su vida se ha convertido en venganza. Dick le dice a Bruce que un maníaco no mató a su familia, pero Bruce le dice que si y que ellos dos son iguales, pero de nada sirve que Bruce intente disuadir a Dick.
Una noche Bruce es invitado a una fiesta ofrecida por Edward en el Rithc de Gotham, Bruce asiste con Chase y
Dick. Edward promociona una nueva caja con fantasías interactivas, Bruce desconfiando del invento de Edward dice que si es capaz de crear esas fantasías que impediría que robara imágenes del cerebro humano, mientras Edward invita a bailar a Chase, Bruce intenta apagar el invento y luego probarlo, Sugar, la novia del lado bueno de Dos Caras y acompañante de Edward enciende de nuevo la caja y Bruce entra en un trance hasta que Dos Caras y su novia mala Spice llegan provocando un caos. Bruce secretamente baja al primer piso donde Alfred le tiene preparado su Batitraje. Batman llega y controla la situación y Chase lo invita al balcón de su departamento, mientras que Dick también baja al auto donde Alfred le da su "traje" (su antiguo traje de acróbata muy igual al del Robin original). Batman obliga a huir a Dos Caras al subterráneo en construcción de la ciudad donde el villano intenta matar al héroe pero este es salvado por Dick. Más tarde Bruce furioso reprocha a Dick su disparatada actitud y Dick le ofrece ser su compañero en la lucha contra el crimen. Bruce le reprocha también a Alfred el hecho de alentar al joven, pero Alfred le responde que Dick siendo igual a Bruce no necesita alientos sino guía y viendo que Chase era su alternativa a sanar sus heridas decide ir a su departamento. Ella cubierta con solo una sábana le confiesa que está enamorada de Bruce, Batman finge estar un poco triste pero al dar la espalda sonríe.
Por otra parte Dos Caras siente frustración al darse cuenta que falló en matar a Batman pero Riddler muestra lo que Bruce Wayne tiene en su cerebro: murcielagos su principal temor. Así descubren que es Batman.
Es destacable la crisis de identidad que el personaje principal sufre en este film; Wayne se plantea dejar de ser Batman al darse cuenta de que su ejemplo puede perjudicar al joven Dick Grayson y porque al salvar a cualquier ciudadano no hubo nada a cambio. Frustrado Dick huye de la mansión. Chase llega a la mansión para cumplir su cita con Bruce en un Halloween que seria horrible más tarde. Mientras Alfred daba dulces a los niños, Bruce le cuenta a Chase que el día del funeral de sus padres el salió corriendo por la lluvia con el diario de su padre, luego cae en una pequeña cueva y justo en ese momento un murciélago vuela hacia él, de ahí en adelante Bruce usaría su figura para inspirar miedo en los que cometieran el mal, diciéndole así a Chase que él es Batman. Fingiendo ser niños disfrazados, Dos Caras y Riddler encierran a Alfred en un armario y entran a la fuerza a la mansión Wayne, Chase y Bruce intentan vencer a los secuaces de Dos Caras, quien le había prometido a su compañero no matar a nadie por el momento, mientras que Riddler entra a la Batcueva y la destruye completamente junto con los Batitrajes, el Batmóvil, las computadoras, etc. Dos Caras le dispara a Bruce pero la bala le roza su frente dejándolo inconsciente mientras secuestraban a Chase y Riddler le dejaba otro acertijo, planeando humillar primero a Bruce antes de matarlo.
Al día siguiente Bruce despierta y Alfred le da las malas noticias de lo sucedido anoche, por otra parte Riddler teniendo secuestrada a Chase la usaría como su carnada para atraer a Batman, justo cuando Gordon ponía la Batseñal, Riddler dibujaba un signo de interrogación encima de la señal hasta dejarla verde. Bruce descifra el último acertijo e intenta saber la conexión con los tres anteriores.
Como cada acertijo tenía un número se dedujo que eran letras del alfabeto; 13 es M, 1 y 8= 18 que es la R y 5 que era la E, dando como resultado Mr.E. también traducido Mystery o Enigma. Al instante Bruce se da cuenta que el Riddler no es otro que el mismo Edward Nygma y que este había asesinado a Stickley y con fraude de ordenador había simulado un suicidio.
Bruce y Alfred se dirigen a una cámara de pruebas de la Batcueva donde Bruce usaría un mejorado traje de Batman y un nuevo Bati-arsenal; nuevos y mejorados Batarangs, ganchos de amarre y un nuevo Batboat y un nuevo Batwing. Decidiendo cual vehículo usar, llega Dick usando un traje diseñado por Alfred, Dick se convierte en Robin el joven maravilla que acompañará a Batman en la lucha contra el crimen, Robin no promete matar a Dos Caras pero Batman lo dejaría diciendo que un hombre debe seguir su destino, una frase enseñada por el fallecido papá Grayson a su hijo y de este a Batman, quien acepta a Robin no solo como amigo sino como compañero.
Robin usa el Batboat y Batman el Batwing para dirigirse al edificio Nygmatech. Cuando Gordon perdía la esperanza de que viniera Batman justo pasa este en su vehículo devolviendo la esperanza. Dos Caras y Riddler al percatarse de la llegada de ambos héroes, simulan jugar a los barcos para hundir a Robin, Dos Caras da al blanco destruyendo el Batboat pero Robin logra salir a tiempo y el Batwing es derribado por Riddler, justo cuando Robin intentaba ser secuestrado por secuaces de los villanos, Batman transforma el Batwing en el Batsubmarino, rescata a su compañero, captura a los secuaces y logran llegar a la isla donde esta la guarida de los villanos. Batman accidentalmente entra debajo del edificio donde hay una fosa con púas mortales, mientras que Robin intentaba vengarse de Dos Caras, este estando a punto de caer de una gran altura es salvado por el joven maravilla prefiriendo llevarlo a la justicia pero en su ingenuidad y nobleza es secuestrado. Batman con dificultad logra subir al edificio donde Riddler lo puso a elegir a quien iba a rescatar; a su amor Chase o a su compañero y amigo Robin. Batman sabiendo que no lograría salvar a ninguno le hace un acertijo a Riddler; "yo
veo sin ver, en mi la oscuridad es tan clara como el dia". Riddler responde que es un murciélago y Batman arroja un sonar batarang al control inalambrico de la Caja provocando una reacción en cadena que destruye así el edificio. Riddler (con una sobrecarga de ondas cerebrales que lo hace perder la cordura) usando su bastón hace que Chase y Robin caigan a la fosa y en un momento de suspenso Batman logra salvarlos a ambos. Con ambos sanos y salvos llega Dos Caras decidido a matarlos a los tres, Batman lo convence de arrojar su moneda a la suerte antes de matarlos, al lanzar la moneda nuestro héroe arroja hacia el varias monedas parecidas, Dos Caras en su desesperación cae a la fosa hasta morir donde justo en su mano muerta cae una de las monedas. Batman se acerca después a un derrotado Riddler y le dice que es ambos Bruce Wayne y el héroe, no porque sea obligación sino porque ha escogido servir. Cuando Batman lo toma prisionero, Riddler asustado ve la misma sombra del murciélago que Bruce había visto años tras.
Al final, en el Asilo Arkham, el Dr Burton le informa a la Dra Meridian que Nygma conocía la identidad secreta de Batman, cuando ella le pide a Nygma que se lo diga, el se autoproclama como Batman aun en su obsesión por Bruce Wayne. Después de que la psicóloga sale del manicomio y le dice a Bruce que su identidad está a salvo, Bruce le agradece el haberlo ayudado a enfrentar sus miedos, el haberle dado un hermoso sueño y ambos expresan su amor, él se redime y se ve como al salir la Batseñal aparecen las sombras de Batman y Robin corriendo para hacer frente a las fuerzas del mal.