Séverine Serizy est une jeune et très belle femme aux fantasmes masochistes assez particuliers. Elle est mariée au docteur Pierre Serizy (Jean Sorel) qu'elle aime « au-delà du plaisir » : elle ne parvient en effet pas à trouver le plaisir auprès de lui, ce qui les frustre tous les deux. Un ami du couple, Monsieur Henri Husson (Michel Piccoli), lui parle d'un bordel de luxe et lui avoue son désir pour elle. Insatisfaite sexuellement, Séverine commence secrètement à y travailler, se prostituant seulement certains après-midi de 14 à 17 heures, d'où son surnom Belle de jour, avant de retourner dans les bras de son mari, qui, heureux, ne se doute de rien.

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