Dollhouse gaat over een groep jonge mensen bij wie persoonlijkheden (compleet met herinneringen, vaardigheden, talenkennis, etc.) ingeladen kunnen worden. Deze zogenaamde 'dolls' worden voor allerlei doeleinden verhuurd, de ene keer voor iets romantisch of sexueels, de andere keer voor een illigale opdracht. Na de opdracht worden de 'dolls' weer gewist. Eén van de 'dolls', genaamd Echo, begint zich echter bewust te worden van wat ze is. De show volgt haar ontdekkingen en hoe ze hiermee om gaat tijdens haar opdrachten. Ondertussen is de FBI-agent Paul Ballard op jacht naar het 'dollhouse', dat gerunt wordt door de nietsontzienende Adelle DeWitt.