《不死之脑》的剧情发生在1962年的美国。科学家比尔·科特内博士的未婚妻詹·康普顿在一次严重车祸中身首异处。为了挽回未婚妻的生命，比尔博士将她的头颅带回实验室，并使用一种特殊液体维持其生命。

然而，为了实现未婚妻的完全复活，比尔博士产生了邪恶的念头，计划杀害一名女子，用其身体与詹的头颅结合。此时，处在生死边缘的詹通过心灵感应召唤了实验室中的变异怪物，杀死了博士的助手。

当比尔博士找到目标女子并带回实验室时，詹的反对引发了一场混乱。变异怪物冲破束缚，向比尔博士发起攻击。原来，这个怪物是博士多次失败的试验品，高达7英尺。在一场激战后，博士不幸身亡，实验室也陷入火海。怪物最终带着那名无辜的女子逃离，而詹的头颅与实验室一同化为灰烬，结束了这段荒诞而悲惨的故事。