Dogville est une petite ville américaine située dans les Montagnes Rocheuses avec comme voie d'accès une unique route. Le film débute par un prologue dans lequel nous faisons connaissance avec la vingtaine d'habitants qui constitue la bourgade. Ils sont présentés comme des gens chaleureux dont les petits défauts sont faciles à oublier.

La ville est vue du point de vue de Tom (Paul Bettany), un écrivain en herbe qui tergiverse en essayant de réunir ses concitoyens à des réunions périodiques. Il est évident que Tom veut succéder à son père en tant que guide moral et spirituel de la ville.

Tom fait la rencontre de Grace (Nicole Kidman), qui est poursuivie par des gangsters lui tirant dessus. Grace, une belle mais modeste femme, veut continuer sa fuite, mais Tom lui assure qu'elle ne pourra continuer que difficilement son chemin sur la montagne qui devient dangereux. Pendant qu'ils parlent, les gangsters s'approchent de la ville. Tom cache alors rapidement Grace dans la mine de charbon située à l'entrée de la bourgade. Un des gangsters demande à Tom s'il n'aurait pas vu la jeune femme qu'ils cherchent, ce qu'il décline, alors le gangster lui promet une récompense s'il vient à la voir, et lui donne une carte avec un numéro de téléphone auquel il pourra appeler.

Tom décide d'utiliser Grace comme "illustration" pour sa prochaine réunion, une manière de prouver à ses concitoyens qu'ils sont engagés aux valeurs d'une communauté en aidant la jeune femme. Ils demeurent sceptiques, alors Tom propose de laisser à Grace une deuxième chance pour prouver que c'est une bonne personne. Grace est acceptée pour deux semaines, pendant lesquelles Tom lui explique qu'elle doit convaincre les citoyens de la cité de l'aimer.

À la suggestion de Tom, Grace offre ses services et effectue des tâches comme parler à Jack McCay (Ben Gazzara), aveugle, aider à gérer le petit magasin, surveiller les enfants de Chuck (Stellan Skarsgård) et Vera (Patricia Clarkson), etc. Après quelques réticences, les habitants acceptent de l'aider en échange de ces corvées superflues mais qui rendent néanmoins la vie meilleure. Elle devient alors une citoyenne de la ville. Après les deux semaines, tout le monde est d'accord sur le fait qu'elle peut rester.

Sur un commun accord tacite, elle continue ses corvées qu'elle fait avec plaisir et est, par ailleurs, payée modestement en retour. Grace commence même à se lier d'amitié avec certains des habitants de Dogville, dont Jack McKay, un vieil homme aveugle qui prétend ne pas l'être ; Grace réussit à lui faire admettre qu'il l'est.

Mais lorsque la police vient à Dogville, et place une affiche Portée disparue de Grace sur l'église, l'humeur générale s'obscurcit. Vont-ils coopérer avec la police ?

Mais les choses se passent normalement jusqu'au 4 juillet, fête nationale. Tom avoue maladroitement son amour pour Grace, et les habitants lui font comprendre que la vie dans la ville s'est améliorée grâce à elle. Puis la police revient, et poste une affiche Wanted : Grace est recherchée pour une affaire de vol bancaire. Tout le monde convient qu'elle doit être innocente puisqu'à cette date là elle accomplissait quotidiennement les corvées pour les habitants.

Néanmoins, Tom argumente sur le fait qu'étant donné le risque accru que prend la ville à la cacher, Grace doit quid pro quo faire plus de tâches. À partir de là, ce qui était un accord tacite bénévole tend à devenir une contrainte puisque Grace est réticente à cette idée. Toutefois, parce qu'elle est redevable envers Tom, et afin de ne pas lui déplaire, elle accepte.

À ce stade, la situation se détériore : Durant ses corvées additionnelles, Grace fait immanquablement quelques erreurs, mais les gens chez qui elle travaille sont indifféremment irrités par ce nouveau train de vie et rejettent tout sur Grace. La situation s'intensifie plus ou moins, avec les avances sexuelles de plusieurs des hommes de la ville, et les exigences abusives et asymptotiques des femmes. Même les enfants s'y mettent : Jason, certainement le plus petit des enfants de la ville (10 ans), l'enfant de Chuck et Vera, demande à Grace de lui donner des fessées. Ce, jusqu'à ce qu'elle accepte plusieurs de ces provocations. Par la suite, Chuck, en rentrant chez lui, lui fait chantage : soit elle le laisse la violer soit il donne son foulard (preuve qu'elle est là) aux policiers qui sont dehors. Elle accepte le chantage sur le coup, et se fait donc violer. Ces situations l'obligent à se défendre de l'exploitation des autres...

Après discussions avec Tom sur les possibilités qu'elle a de s'échapper, Grace est blâmée par Vera à cause des fessées données à Jason, et pour faire, soi-disant, de l'oeil à son mari Chuck. Vera menace Grace de détruire ses poupées en porcelaine qu'elle a achetées en ville (fabriquées artisanalement) grâce à son maigre salaire (économisé). Grace lui demande grâce, rappelant à Vera combien cette dernière était contente lorsque, autrefois, la fugitive fit comprendre la doctrine stoïcienne à ses enfants. En réponse, Vera défie Grace d'appliquer celle-ci en ne pleurant pas à la destruction de deux de ses figurines (sept en tout), auquel cas elle les détruira toutes. Mais Grace fond en larme, alors Vera les détruit toutes. Le symbole de son appartenance à la ville est détruit, elle sait maintenant qu'elle doit partir. Avec l'aide de Tom et de Ben, le propriétaire du camion des transports, elle tente de s'échapper dans son camion à pommes, opportunité dont Ben profitera pour lui faire payer un supplément en nature (« Ce n'est pas personnel. Je... dois juste appliquer les tarifs »), pour finalement la faire revenir à Dogville sans qu'elle le sache, en prétextant qu'elle s'est cachée à son insu dans son camion.

La ville convient qu'elle ne doit plus s'enfuir. L'argent que Grace a utilisé pour payer Ben a été volé par Tom à son père (sans qu'elle le sache, elle croyait qu'il l'avait emprunté), Grace est accusée. Tom refuse d'avouer sous prétexte que c'est de cette seule manière qu'il pourra protéger Grace sans que ses concitoyens ne le suspectent. De là, le statut de Grace est définitivement considéré comme esclave, car elle est colletée par une chaîne au cou à une lourde roue en métal qui l'empêchera de passer par des chemins non plats (donc hors des frontières la ville). Plus humiliant encore : autour de son collier, une cloche. Elle est l'esclave sexuelle et ménagère de toute la ville.

Une réunion est organisée par Tom dans laquelle Grace raconte tout la vérité, tout ce qu'elle aura enduré de la part de tout le monde dans la ville, puis elle part dans sa chambre. La population crie au mensonge et fait preuve d'une grande mauvaise foi, elle demande à Tom de choisir son camp et décide de se débarrasser de Grace. Tom se rend dans la chambre de Grace, il tente de faire l'amour avec elle, il est le seul homme adulte à ne pas avoir eu de relation sexuelle avec elle. Mais Grace refuse. Tom sort, appelle personnellement les truands, et plus tard propose par un vote unanime que Grace doit être enfermée à clé dans sa cabane-chambre.

Lorsque les gangsters arrivent finalement, ils sont accueillis chaleureusement par Tom, et un comité impromptu composé des autres gens de la ville. Grace est affranchie et on apprend finalement qui elle est vraiment : la fille du patron des gangsters. Elle s'était enfuie parce qu'elle n'aime pas le sale boulot de son père. Son père la confronte dans sa cadillac et lui dit qu'elle est arrogante de ne pas considérer les autres comme elle se considère, du point de vue des bonnes actions/mauvaises actions. Dans un premier temps, elle refuse d'écouter, mais elle regarde les gens de la ville, elle est obligée d'approuver : elle voudrait condamner tous ces gens aux pires punitions si elle les considérait comme eux l'ont considérée, et il serait inhumain qu'il n'en soit pas ainsi.

Alors elle accepte de redevenir la fille de son père, et sa première demande au pouvoir sera de détruire la ville ainsi que ses habitants. En particulier, elle donne l'ordre de faire exécuter les enfants de Vera, un à un, mais d'une manière bien spéciale: en lui faisant dire que si elle ne pleure pas, ils arrêteront de tuer ces enfants.

Le film se termine dans un crescendo de violence, la ville est brûlée et chaque citoyen de la ville --femmes et enfants inclus-- est brutalement assassiné par les gangsters sur l'ordre direct de Grace. Tous, sauf Tom qui est tué par Grace elle-même. Alors que les cendres de Dogville fument derrière elle, elle découvre le dernier survivant de Dogville : Moïses, le chien de Dogville...