Kaksitoista valamiehistöä on vangittu pohtimaan isänsä murhasta syytetyn 18-vuotiaan pojan syyllisyyttä tai syyttömyyttä. Valamiehistö näyttää aluksi olevan yksimielinen todetessaan hänet syylliseksi, mutta yksi valamiehistö (Valomies 8, näyttelee Henry Fonda) epäilee pojan syyllisyyttä ja ryhtyy vakuuttamaan muut.
Tuomarit käyvät kiivasta keskustelua, jossa esiintyy erilaisia ennakkoluuloja, ennakkoluuloja ja henkilökohtaisia kokemuksia. Jotkut tuomarit arvioivat pojan nopeasti hänen ulkonäön, sosiaalisen luokan ja syyttäjän todisteiden perusteella, kun taas toiset ovat varovaisempia ja avarakatseisempia.
Tuomariston 8 esittelee perusteellisesti perustelunsa ja haastaa muut pohtimaan todisteita tarkemmin, tuomaristo alkaa arvioida uudelleen heidän näkemyksiään. He tutkivat syyttäjän tapauksen epäjohdonmukaisuuksia ja heikkouksia ja alkavat vähitellen epäillä pojan syyllisyyttä.
Koko keskustelun aikana paljastetaan tuomarien persoonallisuus, motiivit ja taustat. Toisia ajavat omat pelkonsa ja epävarmuutensa, kun taas toiset etsivät aidosti oikeutta. Kun tuomarit kohtaavat ennakkoluulojaan ja käyvät siviilikeskusteluja, heidän ymmärryksensä tapauksesta ja muiden valamiehistöistä muuttuvat perusteellisesti.
Lopulta valamiehistö tekee yksimielisen tuomion "ei syyllinen", tunnustaen, että pojan syyllisyydestä on aihetta epäillä. Elokuva korostaa oikeudenmukaisen prosessin, huolellisen harkinnan ja järjen voimaa oikeudenmukaisten ja oikeudenmukaisten päätösten tekemisessä.