Dans un cabaret de Reno appelé Le Clair de Lune, la chanteuse Dolorès Van Cartier se produit avec ses deux choristes. Vêtue de strass et de paillettes, Dolorès est la maîtresse du gérant du cabaret, Vince LaRocca. Elle chante tous les soirs devant des joueurs de casino pour lesquels elle n'est qu'un fond sonore.
Un soir, par hasard, alors qu'elle n'est pas censée se trouver sur les lieux, elle assiste à la mise à mort d'un homme que son amant fait tuer à bout portant. Ce dernier souhaite lui imposer le silence en la menaçant ouvertement si elle ose faire part de sa découverte à la police. Lucide, choquée et craignant pour sa vie, elle va pourtant voir les autorités et elle découvre que Vince est déjà connu de leurs services pour des faits de crime organisé, de vol et d'extorsion de fonds. Le lieutenant Eddie Souther a besoin qu'elle puisse témoigner dans le prochain procès à venir, et pour la protéger des hommes de mains de Vince qui veulent la réduire au silence, il doit donc lui faire endosser une fausse identité.
Il va la cacher dans un couvent de San Francisco, vêtue en religieuse catholique. Aussi à son aise qu'un poisson hors de l'eau, Dolorès devient Sœur Marie-Clarence et se retrouve à cohabiter avec des sœurs qui la prennent véritablement pour l'une d'entre elles… Mais le couvent Sainte-Katherine n'est pas l'endroit idéal pour quelqu'un qui a un caractère aussi entier que Dolorès !
