坐落在群山重峦之间的国家精神病院刚接收了一个新病员兰德尔·麦克默菲。他是由警察押送来的，还戴着手铐。他实际上并没有精神病，这个38岁的壮汉原来因打架而被送进了劳动拘留营，为了想出狱而装疯的。
麦克默菲的来到立即给精神病院带来了麻烦。在第一次参加例行的心理治疗座谈会时，他竟然提出，为了照顾病员的看世界棒球赛实况转播，要求把白天的治疗活动挪到晚上进行。严厉、古板的护士长、精神病院权威的象征拉奇德小姐指出，这样做是企图改变既定的规章制度，是不能容许的。拉奇德小姐为了表示办事民主，要求病员们进行一次表决。尽管麦克默菲竭力鼓动，病员们在拉奇德的冷峻眼光的威慑下，都不敢贸然举手，只有老头儿拉斯威克和小青年比利敢于支持麦克默菲的动议。第一次反抗失败了。
麦克默菲继续向作息制度展开进攻。他向病员们宣布要进城去看球赛，并且指着浴室里的半人高的水泥墩说，他要用它砸碎窗户逃出病院。然而，他毕竟未能抱起水泥墩。又聋又哑、身材高大的印第安酋长在暗处悄悄地观察着他。
轮到拉奇德护士长主管的病房里的病员们上街了。麦克默菲在院子里发现将载送他们进城的大轿车停在铁丝网外的一片草地上。他灵机一动，找来了印第安酋长，让他权充人梯，帮他跳出了铁丝网。酋长目送他消失在树丛里。
铁门打开了。病员们鱼贯而出，登上轿车。但还没等到司机上车，车子却突然起动，飞驶而去。司机和医护们大惊失色，不知是怎么回事。原来端坐在驾驶座上的是麦克默菲。
麦克默菲把车子开到女友凯蒂家里，接上她，一起向码头驶去。他要率领众病友出海游玩。他们上了一条机动渔船，在大海上尽情遨游，还抓得了两条大鱼。当他们兴高采烈地返航时，发现主治医生斯皮维和两个医护神色严峻地站在码头上。全体病员被立即押回到精神病院。
为了严肃处理这起史无前例的违规事件，院方作出决定永远禁止麦克默菲出院。麦克默菲无意中从一个医护那里知道了这个决定，大感震惊。他决定在早上的心理治疗座谈会上向拉奇德提出质问。
面对麦克默菲的态度粗野的质问，拉奇德显得从容不迫，毫不在意。她要求病员们发表意见。出乎麦克默菲意料之外的是，众病员纷纷表示他们是自愿进院的，非常希望能继续住下去。拉奇德小姐恶毒地说，“事实上这里只有很少几位是让人送来的，如那个印第安酋长……还有你。”然后，拉奇德小姐大方地向病员们征求改进意见，但任何要求都遭到了她有礼貌的拒绝。切斯威克不满意拉奇德小姐对他的惩罚(没收了他的香烟)，开始大吵大闹。麦克默菲公然击破了护士长办公室的窗玻璃，替切斯威克拿来了香烟。医护华盛顿一拳击倒了麦克默菲，印第安酋长上前救助，又和另一个医护沃伦扭打起来。拉奇德小姐气白了脸，立即召来更多身强力壮的医护，把麦克默菲和印第安酋长捆了起来。
病院为了惩治这些闹事者，开始对他们进行“电疗”。这时，麦克默菲才发现原来印第安酋长既不聋也不哑，他只是为了免遭毒手才装聋作哑的。麦克默菲悄悄地向印第安酋长透露了他准备逃出病院的计划。
经过电疗后，麦克默菲果然变得非常老实，不再有越轨行动。某日晚上，他等拉奇德小姐离开了办公室，乘黑人值班员出去关上大门之机，偷偷给凯蒂打了电话，要她开车前来接应，并要她带点酒来。待到夜深人静，凯蒂和她的女友露丝按时来到，但麦克默菲刚要去拧开铁窗上的锁头时，值班员突然出现在他眼前。麦克默菲巧妙地用金钱、酒和女色收买了他。当值班员去和露丝鬼混时，麦克默菲走进护士长办公室，打开扩音机，向病员们宣布他将离去，并邀请大家参加他的告别晚会，一起喝酒跳舞。值班员听见声响，急忙出来制止，但他由于喝酒太多，很快就倒在椅子上睡着了。病员们继续尽情作乐。麦克默菲准备和凯蒂、露丝越窗逃走。刚和凯蒂跳过舞的比利上来送行，麦克默菲邀他一起出逃，他却不敢答应，只是对凯蒂表示恋恋不舍。麦克默菲慷慨地要求凯蒂满足比利一次，他俩在众病员欢呼声中被推进一间单人病房。为了等候凯蒂，麦克默菲竟呼呼睡着，错过了逃走的时机。
次日天刚放亮，拉奇德小姐走进病房，发现里面杯盘狼藉，众病员横七竖八，躺了一地，不禁目瞪口呆。她强忍怒气，召来医护们把病人叫醒，赶走了露丝，锁上了铁窗。很快，医护从单人病房里找到了比利和凯蒂。拉奇德小姐顿时变得怒不可遏，威胁着要把这件丑事告诉比利的母亲。她喝令医护把比利送到诊疗室去，把凯蒂逐出了病院。麦克默菲痛苦地看着这一切，忍受着拉奇德的傲慢的目光的扫射。当拉奇德转身向办公室走去后，麦克默菲突然扑向铁窗，拿出暗藏的钥匙，打开铁窗。酋长帮他打开了第二道窗。正当麦克默菲要跨出窗去时，医护沃伦及时赶到，一拳打倒了麦克默菲。两人正在厮打时，拉奇德召来了医护华盛顿，制服了麦克默菲。这时传来了一声凄厉的尖叫，比利用玻璃碎片割开了自己的喉管，倒在血泊之中。
麦克默菲这时像一头被激怒了的狮子，他突然上前扼住了拉奇德的脖子。拉奇德快要被扼死之时，华盛顿赶来朝麦克默菲后脑猛击一拳，打昏了他，拉奇德才保住了性命。
几天之后，病房里又恢复了平静。麦克默菲被做了脑叶切除手术，成了白痴。当天深夜，印第安酋长来到麦克默菲床前，用颤抖的双手把一个枕头压在他脸上，直到他窒息死去。然后酋长奋力抱起了水泥墩，走向铁窗，奋力扔去，砸开了窗子。酋长纵身跳出窗口，在黑暗中向莽莽丛林疾步奔去。