1945年、ナチ占領下から解放されたアムステルダム。強制収容所を出たオットー（ジョゼフ・シルドクラウト）は、想い出の屋根裏部屋に戻って来た。そこで娘アンネ（ミリー・パーキンス）の書いた日記をみつけた。日記は1942年7月9日から始まる。アンネの父オットーはユダヤ人で、母はオランダ人だった。姉マーゴット（ダイアン・ベーカー）とアンネはドイツで生まれた。ヒットラーが政権をとるとユダヤ人の排斥が始まった。アンネ一家は親友のバン夫妻と息子ピーター（リチャード・ベイマー）と共に、オランダへ亡命した。隠れ家の屋根裏部屋の下は香味料工場で、オットーは家族にいろいろと注意を与えた。姉妹はピーターと親しくなった。両親は耐乏生活に苦労した。戦争は連合軍側に有利になった。その頃、家主のミープ（ドディ・ヒース）がオットーに1人同居人を入れてくれと頼みにきた。彼はデュッセル（エド・ウィン）というユダヤ人の歯医者だった。デュッセルは一家の人々に、ナチのユダヤ人殺害の話をした。アンネはその話を聞き、ある晩夢を見て悲鳴をあげた。毎年12月に行われるユダヤ人のハヌカ祭が、屋根裏でささやかに開かれた。アンネは父に手編みのマフラーの贈物をした。その時、階下で物音を聞いた。泥棒が入ったらしい。おびえたアンネはピーターに抱きついた。デュッセルはピーターが音を立てたと彼を責めた。泥棒が捕まった時、その物音から自分たちの所在がばれるのを恐れたからだ。新年を迎え、アンネも女性らしくなった。ある日、階下の倉庫で働いているカールという男が、屋根裏部屋のことで階下のクラレルを脅迫した。アンネとピーターは愛し合うようになった。アメリカ軍がイタリアに上陸すると、ピーターは自由オランダ義勇軍に参加するといった。ある日、ミープが盗まれたタイプライターのことで、アンネたちの所在がゲシュタポに知られたことを告げにきた。8月のある日、遂に来るべきものが来た。サイレンを鳴らした警察の車が階下に止った。今はすべてを覚悟したアンネは、ピーターに別れの、そして最後の接吻をした。人間の善意は永遠に失われないことを信じて、アンネは死の収容所に向かうのだった。