New York, Ende der 20er Jahre: Wenn der kleine jüdische Angestellte Leonard Zelig (Woody Allen), der Sohn eines erfolglosen Schauspielers, dicken Menschen begegnet, wölbt sich sein Bauch, und seine Haut verfärbt sich, wenn er mit Afroamerikanern zusammenkommt: Wie ein Chamäleon passt er sich seinen Mitmenschen an.

Bei einer Party fällt er 1928 F. Scott Fitzgerald auf. Als die Polizei in einer Opiumkneipe einen Chinesen festnimmt, verwandelt dieser sich während der Fahrt zum Polizeirevier in einen unscheinbaren weißen New Yorker, in Leonard Zelig. Auf Fotos, die von der Polizei in seiner Wohnung sichergestellt werden, steht er neben Eugene O’Neill und zwischen Präsident Calvin Coolidge und FBI-Chef J. Edgar Hoover.

Man bringt Zelig in eine psychiatrische Klinik. Dort versuchen die Ärzte, die sich in ihren Diagnosen keineswegs einig sind, den Patienten mit Elektroschocks und anderen Torturen zu normalisieren. Die Medien stürzen sich auf den außergewöhnlichen Fall. Leonard Zelig wird berühmt. Schlager wie „Chameleon Days“ werden über ihn geschrieben, und in den Kinos ist ein Biopic über das „Chamäleon“ zu sehen.

Weil die Therapien erfolglos bleiben, kommt es der Klinikleitung gelegen, dass Ruth Zelig (Mary Louise Wilson) ihren Halbbruder aus dem Krankenhaus holt. Ihr und ihrem Lebensgefährten, dem Immobilienbetrüger Martin Geist (Sol Lomita), geht es dabei allerdings nicht um Leonard Zeligs Wohl, sondern sie nutzen die massenhafte Begeisterung für ihn, um ihn zu vermarkten und dabei viel Geld zu verdienen.

Nur die junge Psychiaterin Dr. Eudora Nesbitt Fletcher (Mia Farrow) hält den Abbruch der Behandlung Zeligs für unverantwortlich. Sie kämpft jedoch vergeblich vor den Gerichten um ein Urteil, das ihr die Fortsetzung der Therapie gegen den Willen Ruth Zeligs ermöglicht hätte.

Ruth Zelig und Martin Geist führen ihr Opfer nicht nur in den USA, sondern auch in Europa wie in einem Zirkus vor – bis Ruth sich in Spanien in den Stierkämpfer Martinez (Dimitri Vassilopoulos) verliebt und Martin Geist daraufhin zuerst den Rivalen, dann seine Lebensgefährtin und am Ende sich selbst erschießt.

Leonard Zelig verschwindet in Spanien. In Rom taucht er wieder auf, und zwar auf dem Balkon, von dem aus Papst Pius XI. die auf dem Petersplatz versammelte Menge segnen möchte. Es kommt zu einem Tumult.

Dr. Eudora Fletcher holt Leonard Zelig zurück nach New York und überredet ihre Vorgesetzten in der Klinik, den Patienten in ihrem Privathaus behandeln zu dürfen. Um die Sitzungen zu dokumentieren, lässt sie Scheinwerfer und Mikrofone montieren, damit der Kameramann Paul Deghuee (John Rothman) im Nebenraum durch die Fensterscheibe einer Tür filmen kann. Die Ärztin hat keine Zeit, über den Heiratsantrag des Rechtsanwalts Charles Koslow (Richard Litt) nachzudenken. Wichtig ist ihr im Augenblick nur ein gut dokumentierter Erfolg in der Behandlung des berühmten Patienten. Das wäre ein Meilenstein in ihrer Karriere.

Sie findet heraus, dass Leonard Zelig schon als Kind panische Angst davor hatte, aufzufallen und anders zu sein. Er erinnert sich, wie er sich zum ersten Mal verstellte: Als Schüler log er, „Moby Dick“ gelesen zu haben, weil das von ihm erwartet wurde.

Im Gespräch mit seiner Therapeutin hält er sich für einen Psychiater und bildet sich ein, er habe die Aufgabe, einen Masturbationskurs zu leiten: „Wenn ich nicht pünktlich bin, fangen die womöglich ohne mich an.“ Unter Hypnose wirft er seiner Gastgeberin vor, eine schlechte Köchin zu sein. Ihre Pancakes seien ungenießbar. Aber er liebe sie trotzdem, gesteht er. Als sie vorgibt, in Wirklichkeit keine Ärztin zu sein, stürzt sie Zelig in eine Identitätskrise. Da wird ihm klar, dass er ohne eigene Identität gelebt hat.

Nach diesem sensationellen Erfolg ermahnt Leonard Zelig als öffentlicher Redner vor allem die Jugend, eigene Meinungen zu vertreten und sich nicht ständig anzupassen.

Leonard Zeligs Liebeserklärung blieb nicht ungehört: Eudora Fletcher hat sich ihrerseits in ihn verliebt. Die beiden wollen heiraten.

Zwei Wochen vor der Hochzeit behauptet eine Frau namens Lita Fox (Deborah Rush), Leonard Zeligs Ehefrau zu sein und weist eine entsprechende Urkunde vor. Helen Gray (Jeanine Jackson) erklärt öffentlich, Leonard Zelig sei der Vater ihrer Zwillinge. Weitere Personen melden sich, die Regress von ihm fordern. Dutzende von Anklagen werden erhoben.

Am Abend vor der Urteilsverkündung verwandelt Leonard Zelig sich in einem griechischen Restaurant in einen Griechen und taucht unter.

Eudora Fletcher entdeckt ihn 1933, als sie im Kino die Wochenschau sieht: Er lebt in Deutschland und hat sich den Nationalsozialisten angeschlossen. Sie reist sofort nach Berlin und findet ihn bei einer Massenveranstaltung der NSDAP: Er sitzt unmittelbar hinter Adolf Hitler, der eine Rede hält und gerade dabei ist, das Publikum mit einem Witz über Polen zu erheitern. Als Zelig seine Therapeutin entdeckt, winkt er – und verpatzt dem „Führer“ die Pointe. Wütend befiehlt Hitler, Leonard Zelig und Eudora Fletcher zu verhaften, aber sie entkommen und bemächtigen sich eines Sportflugzeuges. Nach dem Start sinkt die Hobby-Pilotin Eudora Fletcher vor Aufregung ohnmächtig zusammen. In diesem Augenblick beginnt Leonard Zelig, sich für einen Piloten zu halten, und es gelingt ihm, den Atlantik zu überqueren – kopfunter. Begeistert wird er in New York gefeiert.

Eudora Fletcher und Leonard Zelig holen die geplatzte Hochzeit nach.

Als Leonard Zelig im hohen Alter auf dem Sterbebett liegt, bedauert er lediglich, dass er „Moby Dick“, mit dessen Lektüre er gerade begonnen hat, nicht mehr zu Ende lesen kann.