Adelle DeWitt dirige la «Dollhouse», un laboratoire secret qui efface la mémoire d'hommes et de femmes puis les reprogramme pour des missions variées. L'une de ses créatures, Echo, tour à tour amante ou experte en négociations spécialisée dans les enlèvements, recouvre des bribes de mémoire.
Echo fait partie des "actifs" créées par une organisation élitiste et illégale : la "Dollhouse". Celle-ci peut donner n'importe quelle personnalité à ses actifs selon la mission qui leur est confiée. Echo va ainsi jouer le rôle d'une jeune fille éperdument amoureuse le temps d'un week-end, puis celui d'une experte en négociation de kidnapping. Pendant ce temps là, Paul Ballard, un agent du FBI se bat pour découvrir qui se cache derrière la mystérieuse "Dollhouse", une enquête qui a détruit son mariage et nuit à sa carrière, mais qu'il est bien déterminé à mener jusqu'au bout.
S01E02 - À la vie à la mort
Echo devient le nec plus ultra de la femme de plein air quand elle est est "louée" par un beau et jeune client nommé Richard, mais il va s'avérer qu'aucun des deux n'est ce qu'il semble être. Pendant ce temps, l'Agent Ballard reçoit un indice provenant du passé d'Echo le poussant à approfondir son enquête. Quelques scènes se déroulant dans le passé nous dévoilent des informations concernant l'actif Alpha, la première rencontre de Echo et Langton et nous apprennent l'origine des cicatrices de Dr. Saunder.
S01E03 - Mourir sur scène
Après qu'un fan de la chanteuse Rayna Russell ait essayé de la tuer durant un de ses concerts, Echo devient l'une de ses choristes afin de la protéger à son insu. Elle est aidée de Sierra, qui elle devient la fan n°1 de Rayna. L'enquête de l'Agent Ballard prend, quant à elle, une mauvaise tournure.
S01E04 - Réinitialisation
Echo devient Taffy, une cambrioleuse, dans le but d'effectuer un cambriolage très dangereux et de voler un morceau du Parthénon. Mais les choses ne se passent pas comme prévues et Sierra doit intervenir. De son côté, l'Agent Ballard défie Anton Lubov (Victor).
S01E05 - Croyance aveugle
Le sénateur confie une mission à la Dollhouse : infiltrer une secte suite à un appel à l'aide anonyme. Pour y arriver, il leur faut une vraie croyante, quelqu'un en qui ils peuvent faire confiance. Pour les épier, Echo sera donc une jeune aveugle. Car grâce à une opération au laser, ils ont fait d'elle une caméra humaine. Elle ne voit pas, mais les caméras cérébrales qui sont en elles, peuvent tout filmer à son insu...
S01E06 - Légende urbaine
Ca se complique dans la dollhouse : on se rend compte que Sierra se fait violer tandis que l'agent Ballard se rapproche de plus en plus de son but... Il faut agir !
S01E07 - Echos
Un incident arrive à la faculté de Freemont : un jeune homme, Owen, devient fou après avoir ingurgité un médicament...
S01E08 - L'échappée belle
Pourquoi est-ce que certains actifs sont plus difficiles à contrôler que d'autres ? Qu'est-ce qui les différencie ? Une grande réunion est organisée pour répondre à ces questions et pour les comprendre, un test est organisé...
S01E09 - Trahison en sous-sol
Lorsqu'une taupe est découverte au sein même de la Dollhouse, Echo et Sierra sont programmées pour démasquer le traître. Pendant ce temps, Ballard reçoit des nouvelles surprenantes de la part de Mellie.
S01E10 - Post-mortem
Echo est programmée avec la mémoire d'une amie assassinée d'Adelle. Pendant ce temps Topher programme Sierra pour une affaire secrètement et Ballard fait des recherches sur le passé de Mellie.
S01E11 - Belle au bois dormant
La belle au bois dormant : c'est l'histoire d'une princesse endormie, trop faible pour se défendre toute seule et qui se fait aider par le prince charmant, assez fort pour les sauver tous les deux... Comme l'histoire d'Echo. Dans cet épisode, l'agent Ballard rompt avec sa voisine, la suit et découvre où se trouve la Dollhouse. Pour pouvoir pénétrer dans le bâtiment sous terre, il se fait aider d'une personne qui a dessiné certains concepts du bâtiment, et qui sait comment entrer à l'intérieur du centre. Néanmoins, Paul ignore qu'il a demander de l'aide à Alpha...
S01E12 - Omega
Son obsession pour Echo s'avère être de plus en plus dangereuse pour Alpha. Ballard prend une décision qui pourrait changer le reste de sa vie. L'histoire d'une doll se termine alors que celle d'une autre est révélée.
S01E13 - Los Angeles 2019
2019: Le monde est entré dans une anarchie totale après que la technologie de la Dollhouse soit tombée entre de mauvaises mains. A Los Angeles, un groupe de rebelles tente de survivre dans cette ville où le chaos règne...