En 1974, Jeffrey Dahmer es un estudiante de primer año de instituto que vive en Bath, Ohio, con sus padres, Lionel y Joyce, y su hermano pequeño, Dave. Jeffrey desarrolla una obsesión con un corredor masculino al que ve todos los días desde su autobús escolar. Como pasatiempo, Jeffrey colecciona animales muertos que disuelve hasta los huesos utilizando productos químicos que le proporciona su padre, que es químico. Esta afición se inicia por su obsesivo interés en cómo se «encajan» los animales.
En 1978, Lionel destroza la colección de huesos de Jeffrey y le ordena que haga amigos en la escuela. Durante la escuela, Jeffrey imita la forma de hablar y los gestos del decorador de interiores de su madre (que tiene parálisis cerebral), limpia su mochila y hace ruidos fuertes, lo que atrae la atención del aspirante a artista John «Derf» Backderf y sus amigos. Jeffrey inspira a Derf para que lo dibuje en diversas situaciones; dibujos que más tarde se incorporarían a la novela gráfica de Derf Mi amigo Dahmer. Derf y sus amigos forman el «Club de fans de Dahmer», utilizando a Jeffrey para una serie de bromas, como colarlo en todas las fotos del anuario del club, y timarles para que se reúnan con el entonces vicepresidente Walter Mondale durante una excursión escolar a Washington, D.C.
Mientras tanto, Joyce empieza a recaer en una enfermedad mental crónica, lo que provoca peleas cada vez más amargas entre ella y Lionel. Para sobrellevarlo, Jeffrey empieza a beber en exceso y a matar animales.
El corredor con el que Jeffrey está obsesionado resulta ser el Dr. Matthews, el médico de uno de los amigos de Derf. Jeffrey finge un resfriado para poder conseguir una cita con él y que éste pueda examinar a Jeffrey desnudo. El Dr. Matthews se siente incómodo durante el examen de la hernia cuando nota que Jeffrey tiene una erección. Cuando Jeffrey vuelve a casa, se retira a su habitación y se masturba con el incidente. La noche siguiente, Jeffrey fantasea con estar con el cadáver del Dr. Matthews. Comienza a acechar al Dr. Matthews con un bate de béisbol, pero nunca llega a atacarlo.
El padre de Jeffrey se muda mientras éste está de viaje de estudios. Después de la excursión, Jeffrey hace algunos intentos de mantenerse unido a sus amigos, como llevar una cita al baile de graduación, pero finalmente se aleja de ellos. En la graduación, Lionel le entrega a Jeffrey las llaves del Volkswagen Beetle de la familia, que más tarde utilizará para cometer su primer asesinato. Sin que Lionel lo sepa, Joyce se va de Ohio a vivir con unos parientes en Wisconsin, llevándose a Dave y dejando a Jeffrey completamente solo.
Esa noche, Derf ve a Jeffrey caminando solo hacia su casa, con sangre en las uñas. Derf se ofrece a llevar a Jeffrey, encontrándolo viviendo solo y sin planes para el futuro. Derf le dice que al día siguiente se va a la universidad y le ofrece sus dibujos de Jeffrey, que éste rechaza. Amenazadoramente, invita a Derf a entrar a tomar una cerveza, pero éste lo rechaza. Mientras Derf regresa a su coche, Jeffrey coge un bate de béisbol y está a punto de golpearle con él, aunque luego lo suelta. Cuando Derf se sube al coche y conduce hasta su casa, se fija en el bate. Jeffrey no vuelve a tener contacto con sus amigos del instituto. A la mañana siguiente, Jeffrey conduce y recoge al autoestopista Steven Hicks de un concierto. Los créditos finales señalan que nunca se volvió a ver a Hicks y que Jeffrey Dahmer admitió haber matado a 17 hombres cuando finalmente fue detenido.