Le vaisseau effectue une livraison médicale sur la colonie pénitentière Tantalus. Après quelques difficultés dues au champ de force de sécurité, le lieutenant Berkley téléporte à bord une énorme boite. Après leur départ, un homme instable mentalement en sort et assome l'opérateur assistant.
Sur la passerelle, le capitaine Kirk échange avec le Dr McCoy sur le Dr Tristan Adams, le médecin en charge de la colonie et un célèbre scientifique connu pour ses méthodes humaines de réhabilitation. Jim admire son travail, alors que McCoy estime "qu'une cage demeure une cage". Ils sont alors contactés par la colonie pénitentière, qui explique qu'un de leur prisonnier a disparu et s'est peut-être échappé sur leur vaisseau. Celui-ci est potentiellement violent. Le capitaine lance l'alerte: des rapports indiquent qu'un homme agresse en effet l'équipage. Celui-ci réussit à atteindre la passerelle, armé: il se présente comme Van Gelder et demande l'asile. Jim le distrait, permettant à Spock de l'assommer et l'emmener à l'infirmerie.
Jim et McCoy essaient de l'interroger, mais Van Gelder souffre terriblement. Il parvient à confirmer son nom et le fait qu'il est le directeur de Tantalus. McCoy l'endort avec un hypospray. Sur la passerelle, Spock confirme que Van Gelder est l'ancien directeur de la colonie pénitentiaire, un fait ensuite confirmé par le Dr Adams, qui s'inquiète de son état. Troublé par l'état anormal de Van Gelder, McCoy demande à Kirk d'enquêter. D'abord réticent, le capitaine se plie aux régulations et décide de visiter la colonie pénitentiaire avec un psychiatre.
Le vaisseau repart vers la prison. Dans la salle de téléportation, le capitaine est surpris de découvrir une ancienne conquête, la Dr Helen Noel. Tous deux se sont rencontrés à la précédente fête de Noel, alors que Kirk ignorait qu'elle faisait partie de l'équipage. La jeune femme tente de l'aguicher sur le sujet, et se fait rebuffer. Une fois téléportés, le duo rencontre le Dr Adams, qui les accueille chaleureusement et les emmène à ses quartiers pour échanger un toast avec eux. Si Helen est complètement sous le charme, Kirk devient méfiant après avoir rencontré une ancienne prisonnière, Lethe, devenue thérapiste et totalement détachée de son environnement. Ses soupçons augmentent lorsqu'ils visitent la colonie.
A sa demande, le Dr Adams leur montre la salle où a eu lieu l'accident de Van Gelder: celui-ci a ignoré le règlement en employant seul, sur lui-même, une machine expérimentale supposée apaiser les malades, un neutralisateur neural. Bien que peu efficace, elle est conservée pour tenter d'aider les patients. La tension augmente entre le capitaine Kirk et Helen, à qui il reproche son manque de professionnalisme et recul professionnel face au Dr Adams.
Sur le vaisseau, Spock et McCoy continuent d'essayer de communiquer avec le prisonnier, avec beaucoup de difficultés. Celui-ci clame que le Dr Adams détruit comme la mort. Spock décide d'employer une méthode vulcaine pour échanger avec lui, la fusion mentale. Celle-ci lui permet de plonger dans l'esprit du malade et de découvrir que le Dr Adams emploie régulièrement le neutralisateur neural sur les patients. Il s'en est servi sur lui lorsqu'il s'est opposé à ses méthodes.
Le soir, Jim décide de tester sur lui-même la machine: gênée par ses précédents reproches, Helen confirme qu'elle est capable d'employer la machine. En utilisant un réglage très bas, elle lui fait croire qu'il a faim. A sa demande, elle emploie un réglage plus élevé, afin de lui faire croire quelque chose d'impossible: elle cite alors la soirée où ils se sont rencontrés, et affirme qu'au lieu d'avoir simplement dansés, tous deux ont passé une nuit passionnée ensemble. Avant qu'elle n'ait pu couper la machine, ils sont surpris par Adams et son assistant: celui-ci l'immobilise, pendant qu'Adams emploie la machine pour conditionner Kirk, et lui faire croire qu'il est fou amoureux d'Helen, le torturant mentalement et physiquement.
Le capitaine Kirk se réveille dans ses quartiers, avec Helen: celle-ci peine à lui rappeler qu'il a été conditionné, et que ses sentiments pour elle sont inventés. Une fois ses esprits retrouvés, il l'aide à s'enfuir dans les conduits de ventilation, avec comme ordre de trouver les commandes électriques et désactiver le champ de force protégeant la prison. Après quelques difficultés, et une bagarre avec un garde, celle-ci y parvient, permettant de libérer le capitaine de sa torture et à Spock et des gardes de se téléporter dans la prison. Kirk assomme le docteur avant de s'enfuir, et retrouver Helen et Spock.
Ils découvrent plus tard, horrifiés, que le Dr Adams est mort suite à l'exposition à sa machine, remise en marche après que Spock ait rallumé l'électricité à son arrivée. Kirk sait que la machine n'était pas réglée assez puissamment pour le tuer: il comprend que le Dr Adams est mort de solitude.
Une fois soigné, le Dr Van Gelder reprend ses fonctions de responsable et détruit le neutralisateur neural. Alors que l'Enterprise s'apprête à partir, McCoy commente qu'il est dur de croire qu'on peut mourir de solitude. Kirk réplique alors sombrement "Pas lorsqu'on a été assis dans cette pièce". Il ordonne ensuite à Spock de partir.
