Франция. Париж. Профессор-хирург Керн втайне проводит успешные работы по оживлению человеческой головы. Мари Лоран, поступившая ассистенткой в его частную клинику, случайно узнаёт, что успеху в исследованиях Керн обязан оживлённой им голове его бывшего руководителя и известного профессора Доуэля, умершего при подозрительных обстоятельствах. Керн скрывает факт существования оживлённой головы и вынуждает её работать на себя.

Многие произведения Беляева рождались необычно. Вспоминая о том, как создавался роман «Голова профессора Доуэля», писатель отмечал, что это произведение в значительной степени автобиографическое. «Болезнь уложила меня однажды на три с половиной года в гипсовую кровать, – писал Беляев. – Этот период болезни сопровождался параличом нижней половины тела. И хотя руками я владел, все же моя жизнь сводилась в эти годы к жизни „головы без тела“, которого я совершенно не чувствовал… Вот когда я передумал и перечувствовал все, что может испытать „человек без тела“».