一個在貧民窟長大的十八歲少年被控用彈簧刀刺死了自己的父親。六天的審判結束後，案件交到了十二名陪審員手中。按照法律規定，只有十二人全部達成一致，判決才能生效。如果定罪，少年將被送上電椅。
這十二個人被帶進法院大樓的一間悶熱的陪審室。門關上了。接下來發生的一切，全部在這一間房間裡。
第一次投票：11比1
1號陪審員（馬丁·鮑爾薩姆飾）是一位中學橄欖球教練，被選為陪審團主席，負責主持討論。他提議先舉手表決一次，看看大家的立場。
結果是11比1，有罪。
唯一投下無罪票的是8號陪審員（亨利·方達飾），一位建築師。他並不確定少年是無辜的，但他說：「我只是覺得我們應該談談。一個十八歲的孩子的命，我們不該花五分鐘就做出決定。」
這番話立刻引來了其他人的不滿。7號（傑克·沃登飾）是個推銷員，急著要去看棒球賽，覺得案子明擺著；3號（李·科布飾）經營一家快遞公司，脾氣暴躁，認為少年「就是個殺人犯」，恨不得親手送他上電椅；10號（埃德·貝格利飾）是個充滿偏見的車行老闆，一開口就是「那種人」如何如何。
第一把刀
8號開始提出疑問。控方的一個關鍵物證是一把獨特的彈簧刀——據稱兇器是一把很少見的刀，商店老闆作證說他只賣過一把這樣的刀。8號從外套口袋裡掏出一把一模一樣的彈簧刀，「啪」地一聲插在桌上——他前一天晚上在少年家附近的當鋪花六塊錢買的。
這把「獨一無二」的兇器，並不獨一無二。
鬆動開始
8號提議再進行一次不記名投票：如果除他之外依然是11票有罪，他就放棄。紙條打開後，出現了一張新的無罪票。是9號（約瑟夫·斯文尼飾），一位沉默寡言的老人。他說，8號獨自站出來需要勇氣，他願意給他一個機會。
比分變成10比2。
接下來，5號陪審員（傑克·克盧格曼飾）改變了立場。他自己就在貧民窟長大，對10號那種充滿歧視的論調深感憤怒。他指出，從貧民窟出身的人使用彈簧刀的方式是向上捅，而不是向下刺——但死者的傷口是從上往下的。一個熟練使用彈簧刀的人不會這樣刺。
11號（喬治·沃斯科韋茨飾），一位來自歐洲的鐘表匠，也站到了無罪一方。他提出一個問題：如果少年真的殺了人，為什麼要回到犯罪現場取回兇器？這不合邏輯。
關鍵證人的漏洞
控方有兩個關鍵證人。第一個是住在樓下的老人，他聲稱聽到少年喊「我要殺了你」，然後聽到一聲倒地的響動，跑到走廊看見少年逃跑。第二個是對面樓的女人，她聲稱透過行駛中的高架列車車窗，親眼看到少年舉刀刺殺父親。
8號對老人的證詞提出質疑。老人聲稱從聽到倒地聲到跑到門口只花了十五秒。但這位老人中過風，走路一瘸一拐。8號在陪審室裡實地模擬了老人從床上起身、穿過走廊、打開門鎖的全部動作——至少需要四十二秒，而不是十五秒。老人不可能在那個時間內看到走廊裡的任何人。
而且，當時有一列高架列車正好從窗外經過。列車的噪音震耳欲聾，老人真的能透過這種噪音聽清隔壁的喊叫嗎？
比分繼續變化：8比4、6比6。
最後的對峙
4號陪審員（E·G·馬歇爾飾）是一位冷靜理性的股票經紀人，始終堅持有罪。他認為最有力的證據是對面樓那個女人的目擊證詞——她親眼看到了兇殺過程。
這時候，9號老人注意到了一個細節：4號不斷揉自己的鼻梁。他戴眼鏡。9號突然想起來，那位女證人的鼻梁兩側也有壓痕——她平時戴眼鏡。但她在法庭上沒有戴眼鏡作證，在案發當晚也聲稱沒有戴。一個在深夜被驚醒的人，不會來得及戴上眼鏡就往窗外看。而透過高架列車飛速移動的車窗，一個沒戴眼鏡的近視者，真的能看清對面樓裡發生了什麼嗎？
4號陷入了沉默。他緩緩摘下自己的眼鏡，說：「我改變我的投票。無罪。」
比分變成11比1。只剩下3號。
3號的崩潰
3號從一開始就是最激烈的有罪派。他憤怒、暴躁、不講道理，在討論中多次拍桌子、大吼大叫、甚至差點動手打8號。現在，十一個人都看著他。
他大喊「有罪」，開始語無倫次地重複之前已經被推翻的證據。他說少年就是殺人犯，這種孩子——
然後他停下來了。
他不自覺地說出了自己的心結：他和自己的兒子關係破裂。兒子在十六歲時和他打了一架，然後離家出走，再也沒有回來。他無法原諒一個「忤逆父親」的孩子——不是因為證據，而是因為他把對自己兒子的憤怒投射到了被告少年身上。
3號緩緩撕碎了錢包裡那張和兒子的合照。他的聲音顫抖著說出兩個字：「無罪。」
12比0。無罪。
陪審員們收拾東西，陸續離開。在法院大樓的臺階上，8號和9號相遇。兩個人互相報了姓名——整部電影中他們從未叫過彼此的名字。然後他們各自走向雨後的街道，消失在人群中。