Der Sportreporter Robert Krohn macht die Bekanntschaft einer mysteriösen, blonden Frau. Bei der ersten gemeinsamen Verabredung in einem teuren Restaurant erfährt er, dass es sich um die einst berühmte Veronika Voss handelt, einen ehemaligen UFA-Filmstar zu Zeiten des Dritten Reichs. Wie ein Detektiv erkundet Krohn, zum Unwillen seiner eifersüchtigen Freundin, die Hintergründe der labil exzentrischen Persönlichkeit, die ihn fasziniert. Veronikas einstiger Ruhm ist verblasst, sie bekommt nicht einmal mehr Nebenrollen und ist psychisch am Ende. Sie ist den Tabletten verfallen und scheint den Bezug zur Realität verloren zu haben.
Die ehemalige Filmdiva und der Reporter verlieben sich ineinander. Nach und nach findet Robert heraus, dass die Nervenärztin Doktor Katz, bei der die Schauspielerin in Behandlung ist, ihre Position ausnutzt, um ihre Patientin mit Hilfe von Medikamenten psychisch zu manipulieren.
Ihr Ziel ist es, sie systematisch zugrunde zu richten, um sich an ihrem Vermögen zu bereichern. Mit allen Mitteln versucht der Reporter, Veronika aus den Fängen der verbrecherischen Ärztin zu befreien, die ihren Mord bereits geplant hat. Seine Freundin unterstützt ihn aus Liebe bei seinem Vorhaben. Doch bald werden sie selbst Opfer der unvorstellbaren Skrupellosigkeit der Doktor Katz. Als Robert kurz davor ist, sie der Polizei auszuliefern, muss er feststellen, dass er machtlos ist gegen ihre perfekt organisierten Machenschaften ...

"Die Sehnsucht der Veronika Voss" ist der letzte Film von Fassbinders BRD-Trilogie, in der sich der Regisseur kritisch und stellenweise mit bitterem Sarkasmus mit dem kulturellen und politischen Klima in der Bundesrepublik der 50er Jahre auseinandersetzt. Zeitlich gesehen bildet "Die Sehnsucht der Veronika Voss" das Mittelstück der Trilogie. Während "Die Ehe der Maria Braun" vom Wiederaufbau und "Lola" von der Anpassung an das Wirtschaftswunder handelt, verweigert die Titelheldin von "Die Sehnsucht der Veronika Voss" ihre "Mitarbeit". Sie lebt in der Vergangenheit und von ihrem verblassenden Ruhm.
Inspiriert wurde der Film von der Biografie des UFA-Stars Sybille Schmitz und auch visuell lässt Fassbinder den deutschen Vorkriegsfilm wieder auferstehen: mit der Verwendung des Schwarz-Weiß und bewusst gewählter altmodischer Blenden. "Die handwerkliche Raffinesse - die herausragende Schwarz-Weiß-Fotografie spielt mit den melodramatischen Effekten alter UFA-Filme -, mit der Kolportage und Klischees in die Handlung eingebunden werden sollen, wirkt hier jedoch oft manieristisch und steril", urteilt das Lexikon des Internationalen Films. Die Jury der Berlinale fand das nicht und verlieh dem Film 1982 den Goldenen Bären.