Młoda kobieta (Theresa Russell) trafia do wiedeńskiego szpitala po przedawkowaniu leków. Prowadzący śledztwo w tej sprawie inspektor Netusil (Harvey Keitel) przesłuchuje jej dużo starszego kochanka, amerykańskiego psychiatrę Alexa (Art Garfunkel). Odpowiadając na pytania policji Alex wraca pamięcią do zdarzeń z ostatnich kilku miesięcy i wspomina destrukcyjną namiętność, która połączyła go z młodą kobietą. "Zmysłowa obsesja" to, przepełniona charakterystyczną dla Roega atmosferą niepokoju, opowieść o erotycznej obsesji i chorobliwej zazdrości.

Akcja filmu rozgrywa się w Wiedniu. Milena, odseparowana od męża, który przebywa w Czechosłowacji, poznaje Aleksa. Aleks jest psychologiem zafascynowanym psychoanalizą. Spotkanie dwojga bohaterów będzie dla nich brzemienne w skutki. Milena kobieta na pozór wyzwolona skrywa w sobie wiele kompleksów. Alex zaczyna interesować się kobietą. Między bohaterami rodzi się namiętność i erotyczna fascynacja. Przez silne charaktery dochodzi jednak do konfliktów, starć, a w końcu do obsesyjnego uzależnienia. Milena nie mogąc dłużej psychicznej huśtawki postanawia popełnić samobójstwo. Sprawę stara się wyjaśnić inspektor Netusil.

Historia tragicznego romansu naukowca i młodej, nie stroniącej od rozrywek kobiety. Ich związek, początkowo czuły i ciepły, szybko przemienia się w śmiertelną walkę osobowości. Widz ma okazję prześledzić poszczególne stadia doprowadzające do tragicznego końca. Oto kobieta porzuca swego starszego od siebie męża, aby poświęcić się związkowi z nowo poznanym mężczyzną. Równolegle z rosnącym zaangażowaniem uczuciowym kobiety wzrasta u mężczyzny obsesyjne pragnienie poznania faktów z jej owianej tajemnicą przeszłości. Za potęgującą ciekawością idzie nieprzeparta chęć całkowitego poznania i zdominowania życia kochanki. Rosnąca presja psychiczna i coraz bardziej przerażające kłótnie, inicjowane przez mężczyznę, doprowadzają bohaterkę do próby samobójczej. Wtedy właśnie do tego voyeurystycznego zagmatwania przyłącza się jeszcze jedna osoba. Jest nim inspektor policji prowadzący śledztwo, mające na celu poznanie okoliczności, które poprzedziły samobójstwo.