Le jeune Nicolas Poussin, encore inconnu, rend visite au peintre Franz Porbus, le portraitiste officiel du roi Henri IV. Poussin y rencontre le vieux maître Frenhofer. Frenhofer a appris l'art de la peinture auprès des plus grands maîtres, et semble en connaître tous les secrets. Il travaille depuis de longues années sur un mystérieux chef-d'œuvre, qui sera le couronnement de sa carrière. Poussin et Porbus tentent de persuader Frenhofer de leur présenter ce mystérieux chef-d'œuvre...
Le Chef-d'œuvre inconnu est une réflexion sur l'art, qui a inspiré peintres et cinéastes.