Épinglée pour s'être introduite illégalement dans un centre de recherches médicales, Caroline, une brillante étudiante, sera drôlement punie... En effet, pour son crime, elle deviendra la propriété d'un laboratoire ultrasecret nommé Dollhouse. On se servira d'elle comme "poupée" programmable pour effectuer une panoplie de tâches, tantôt anodines, tantôt dangereuses. Rebaptisée Écho, elle hérite d'une première mission : retrouver la fille kidnappée d'un riche homme d'affaires. Or, les choses ne se dérouleront pas comme prévu, alors qu'Echo est confrontée au passé de l'une des empreintes qu'elle a hérité pour cette mission. Pendant ce temps, Ballard, un agent du FBI, commence à mettre ses supérieurs en colère, persuadé de l'existence du laboratoire ultrasecret...