Perfect Blue erzählt von Mima Kirigoe, die ihre Karriere voranbringen möchte und deshalb die J-Pop-Gruppe CHAM! verlässt, um sich der Schauspielerei zu widmen. Gegen den Rat ihrer Managerin übernimmt sie eine Rolle in einem Krimi. Der Imagewechsel soll sie vom niedlichen, makellosen Idol lösen, fordert Mima jedoch psychisch zunehmend heraus.

Auf dem Heimweg begegnet sie einem Mädchen, das ihr verblüffend ähnlich sieht, ihr Idol-Outfit trägt und behauptet, die „wahre Mima“ zu sein. Im Internet stößt Mima außerdem auf eine Seite, die scheinbar ihre privatesten Gedanken kennt. Gleichzeitig werden die Briefe enttäuschter Fans immer bedrohlicher: Sie können sich mit ihrem neuen Weg nicht abfinden und beginnen, sie zu verfolgen.

Mima erlebt hautnah, wie gnadenlos das Showbusiness sein kann. Als CHAM! schließlich den lang ersehnten Durchbruch schafft – allerdings ohne sie –, gerät ihr Leben endgültig aus dem Gleichgewicht. Zunehmend fällt es ihr schwer, Realität und Einbildung auseinanderzuhalten.