Jenny, una talentosa doctora, se niega a abrirle la puerta de su consultorio a una persona misteriosa que llamaba a la mitad de la noche. El día siguiente descubre que era una chica a quien encontraron muerta y la policía no puede identificarla. Llena de culpa, Jenny decide descubrir su nombre.

Al incorporar neo-noir al melodrama, los hermanos Dardenne revitalizan su tensión moral con una incursión en el cine policial. Con una poderoso protagónico de Adèle Haenel, La chica desconocida no esquiva las tensiones raciales ni los dilemas en torno a la inmigración en la Francia contemporánea.