Sybil trabaja como educadora, además de pintar y tocar el piano. Lucha para sobrevivir en las duras condiciones económicas de la ciudad de Nueva York. Sin embargo, tiene lo que llama “cambios de humor”. En estos cambios de humor cambia totalmente, al grado de parecer y comportarse como una persona diferente. Luego de cada “cambio”, no recuerda nada de lo que ocurrió.
Esto se debe a 
que Sybil tiene 13 personalidades. Cada una de ellas tiene sus características particulares, y sus estados emocionales propios y únicos. Por ejemplo, Vicky habla francés, es sofisticada, sociable y muy segura de sí misma; Marcia es fúnebre y quiere morir; Vanessa toca el piano y tiene gran sensibilidad artística; Peggy expresa su ira con gran facilidad; Nancy teme la llegada del Apocalipsis; Incluso tiene dos personalidades masculinas: Mike y Sid, que, sin que ella esté consciente de lo que hacen, han realizado modificaciones en la casa.
Tras romper un cristal y cortarse la muñeca, Sybil acude a revisión con la doctora Wilbur, a quien le expone la situación de que en ocasiones pierde la consciencia y “despierta” lejos de donde pensaba estar, y sin memoria de lo sucedido. La doctora le propone tratarla con psicoanálisis, a lo que el padre de Sybil se opone, argumentando que el diablo se ofrece en formas atractivas para el ser humano. A pesar de esto, Sybil comienza a asistir a las sesiones de terapia, bajo la promesa de pagarle a la doctora Wilbur todo el tratamiento.
Una vez en terapia, la doctora va descubriendo que Sybil está disociada en múltiples personalidades. Cada una de ellas le va proporcionando nueva información sobre las demás y sobre Sybil, información que Sybil jamás revelaría. La doctora graba las sesiones y comienza a tratar de integrar todas las personalidades a la personalidad principal de Sybil.
A lo largo del tratamiento va haciéndose notable que las distintas personalidades aparecían en respuesta a estímulos específicos del ambiente, y algunas mostraban un gran temor a estos estímulos.
Lo que se descubre a partir de todo esto es que Sybil tenía antecedentes de abuso muy fuertes. Este abuso era tanto físico como emocional e incluso sexual, ejercido siempre por su madre. Ésta la castigaba sin motivo frecuentemente “para que viera lo malo que era el mundo”. Los castigos iban desde destruir los colores con los que Sybil dibujaba o dejarla sumergida en una pila de grano, hasta aplicarle enemas y abusar sexualmente de ella con un gancho, para después forzarla a retener el líquido del enema dentro de su cuerpo bajo amenaza de un castigo mayor.
En cierto momento, tras ser expuesta a un estímulo especialmente aversivo (el color verde), surge una de las personalidades más peculiares: una bebé que se limita a arrinconarse en la habitación y succionar su pulgar, sin atender a nada más.
La doctora concluye que Sybil fue disociándose en las diferentes personalidades como mecanismo para mantener los placeres que tenía, como pintar o tocar el piano, y que su madre con sus abusos había convertido en verdaderos tormentos.
Como es de esperarse, la vida cotidiana de Sybil no resulta nada sencilla: en cualquier momento puede surgir una de las personalidades alternas y tomar el control de sus actos, causando gran confusión entre las personas que conviven con ella. Todas las personalidades tienen una edad distinta, o incluso como se dijo más arriba, un sexo distinto al biológico de Sybil. Estas dificultades se hacen especialmente patentes cuando Sybil conoce a Richard Loomis, de quien se enamora, pero quien desaparece tras enterarse de las múltiples personalidades de Sybil.
A pesar de todas estas dificultades, la doctora Wilbur va llevando a cabo el tratamiento psicoanalítico con Sybil de manera constante. A través de la hipnosis y otras técnicas hace surgir a todas las personalidades y adquiere cada vez más información sobre la historia de cada una de ellas, y por lo tanto, de Sybil.
Luego va ayudando a Sybil a hacer conscientes cada una de estas personalidades, hasta integrar todas y cada una a su personalidad principal y así recuperar su salud emocional.
El filme ilustra muy bien cómo ciertos eventos de las primeras etapas de desarrollo pueden tener consecuencias drásticas en la adultez. Se observa el desarrollo del trastorno afectivo desde sus primeros momentos hasta las más fuertes crisis.
Podemos ver claramente la dificultad de adaptarse a la vida cotidiana con un trastorno afectivo como el de Sybil, y también podemos apreciar la complejidad del tratamiento en un caso como éste, así como los factores externos, tanto familiares como laborales y sociales que influyen y a su vez son influidos por el trastorno.
La película está basada en un libro publicado por Flora Rheta Schreiber sobre el tratamiento de un caso real de Trastorno de Identidad Disociativa. En el libro se cambió el nombre verdadero de la paciente por el seudónimo de Sybil, que se mantiene en la película.
