В основе сценария «Гадких лебедей» — повесть Стругацких. Сценарий написан фантастом Вячеславом Рыбаковым.

Фильм начинается с того, что писатель Виктор Банев едет в поезде. За окном показан горящий лес, пожарные тушат огонь. Проводник поезда на английском, а затем на польском (без субтитров) объясняет, что поезд дальше не идет. Виктор Банев тоже демонстрирует владение английским и польским языками, затем показано, как он подходит к особняку в сельской местности. Дверь закрыта, но видеокамера следит за Баневым. Через домофон он по-польски просит впустить его, дверь открывается, он входит и на лестнице видит карлика в белом костюме с ружьем. Это доктор Пильман, который заставляет Банева с поднятыми руками объяснить (по-польски) причину визита. Затем герои переходят на русский язык, и обсуждают проблему города Ташлинска. Оказывается, Виктор Банев входит в комиссию ООН по Ташлинску, но истинная причина — он хочет пробраться в город, который закрыт для посещений, чтобы увезти оттуда свою дочь.

Затем Банев встречается в аэропорту с бывшей женой, которая очень растолстела и завела себе нового мужа, хлипкого и во всем ей покорного. Та дает ему ключи от квартиры в Ташлинске, которую просит осмотреть и объясняет, что желала их дочери добра, когда отдавала ту в дорогой приличный интернат. И еще объясняет, что она случайно оказалсь вне города, когда произошли таинственные события и город был закрыт военными на карантин.

Банев проходит военный контроль документов, со сканированием сетчатки, и попадает на корабль, где встречает доктора Голембу и доктора Комова, которые являются членами комиссии ООН. Д-р Големба тоже знает, что Банев едет ради дочери. Идет дождь. Они плывут мимо затопленных зданий, и затем попадают на границу некоего «энергетического барьера», установленного мокрецами. Пейзаж вокруг озарен красным светом, это некое «инфракрасное излучение». С одной стороны проход контролируют военные. Из диалога ясно, что недавно кто-то нарушил барьер. Таинственная фигура в темном балахоне подходит с другой стороны. Голебма советует Баневу быть спокойным, не волноваться и думать о приятном. Они садятся на стулья, таинственная фигура в плаще и маске осматривает их. Затем виден труп, сидящий на одном из стульев. Мокрец удаляется, махнув рукой следовать за ним. Члены комиссии садятся в автобус и едут в город.

В городе Ташлинск пусто, жителей не видно, на улицах валяется мусор, непрерывно идёт дождь и все вокруг освещено красным светом. Видны машины милиции. Голебма настаивает, чтобы Банева поселили не в гостинице, а в архиве, который оказывается бывшей библиотекой. Банев и Големба обедают, затем участвуют в заседании комиссии, где член комиссии Сумак требует решительных действий, в отношении мокрецов и их воспитанников, детей из интерната. Он называет их мутантами, но хочет получить разрешение на лабораторные исследования, потому что они обладают исключительными интеллектуальными способностями.

Банева вызывает на улицу мальчик, Боря Куница и приглашает прийти в школу-интернат, где учится дочь Банева. Тот соглашается. Затем Банев знакомится с Дианой, помощницей д-ра Голембы. Ему советуют перед встречей прослушать радиостанцию, организованную детьми. Банев идет в дом своей бывшей жены. На улице мусор, брошенные авто. Его останавливает патруль милиции, но он показывает бейджик с фото (говоря «у меня есть ай-ди») и к нему тут же теряют интерес, машина уезжает. Банев заходит в квартиру. Оставляет записку, и тут видит свою дочь. У них происходит короткий диалог, затем дочь говорит ему «а сейчас иди, ты ведь слышишь мой голос, иди», гипнотизируя Банева. Тот отворачивается и дочь исчезает. Банев под дождем возвращается в библиотеку-архив. В ней он слушает радио, где дети обсуждают философские вопросы бытия и человеческого существования. Банев засыпает.

Банев идет по школьному коридору. Вокруг все дети одеты в черные балахоны. Стены покрыты математическими формулами. В аудитории дети задают Баневу вопросы о будущем, о смысле жизни, о том, как можно любить людей, которые творят зло. Банев произносит монолог о гуманизме. Дети считают, что мир взрослых мертв. Банев обвиняет их в жестокости. Заходит мокрец, говорит, что его зовут Зиновий и он очень хотел познакомиться с Баневым. Дети считают, что мир требует кардинальных перемен. После встречи Банев хочет поговорить с дочерью, но она говорит, что занята и просит подождать. Банев идет по коридору и видит, как мокрец говорит на непонятном языке, а дети левитируют. Затем Банев убеждает дочь уехать с ним, но она отказывается. Она снова гипнотическим голосом говорит Баневу идти, и он уходит.

В библиотеке Банев ужинает. Приходит Сумак. Он весел, доволен собой, он знает о встрече Банева с детьми и пытается убедить его, что дети находятся под влиянием мокрецов. Он рассказывает, что мокрецы больны генетической болезнью, у них выпадают волосы, твердеет кожа. Он считает, что это уже не люди и просит Банева не становиться предателем человечества. Уходя, он говорит, что Банева искала Диана.

С Дианой Банев идут в какой-то подвал, где находят умершего мокреца. Убегая от охраны, которая стреляет им вслед, они отвозят его к месту, которое указала Диана. Там Диана открывает запертую железную дверь, из которой идет яркий белый свет. Там два мокреца, Диана говорит им, что Банев «друг». Диана просит забыть Банева о том, что видел и подождать внизу. Затем Банев с Голембой приходят в полузатопленное кафе, открытое господином Квадригиным. Банев показывает Голембе компакт-диск, где записаны слова его дочери. В библиотеке Банев слушает диск, пытаясь понять философские рассуждения, произносимые голосом ее дочери. Затем засыпает и во сне бредит, произнося отрывки стихов из 50-го псалма (на церковнославянском языке). Пробуждается он от сирены — началась эвакуация города.

Банев пытается узнать, что с детьми. Големба и Комов через военных пытаются узнать, где Диана. Выясняется, что Диана и дети остались в школе. Банев берет автомобиль и едет в школу. Комов говорит, что химическая атака военных уничтожит все живое. Големба сообщает Баневу по рации, что спастись можно только при полной герметизации убежища. Банев приезжает в школу, там мокрецы и дети. Он убеждает мокрецов не жертвовать детьми. Его слова влияют на мокрецов, детей переводят в убежище. Химическая атака началась. В убежище душно, нет воздуха, но Банев не разрешает включить фильтры. Дочь просит его прочитать стихи. Банев читает стихи Б. Пастернака «Во глубине лесного лога».

Банев идет по коридору психбольницы. Военные в халатах врачей пропускают его к дочери. Она плохо выглядит, отвечает только по команде санитарок, но вспоминает, как отец читал стихи в подвале. Санитарки подсказывают девочке, о чем говорить, просят вспомнить шоу по телевизору, спеть песенку. Девочка говорит, что их учат, что надо быть как все, любить то, что нравится всем. Санитарки говорят, что она идет на поправку, выздоравливает. Банев обнаруживает на ее руках следы от уколов. В ярости Банев идет к главврачу жаловаться, видит в кабинете детские черепа и человеческие эмбрионы в банках. Его хватает охрана, но затем ему разрешают пройти в палату к дочери. Там они сидят молча, дочь проводит ладонью по запотевшему стеклу, и становятся видны звезды.