Un jour, un homme surgit de nulle part dans la gare centrale de New York. L'air avenant, les yeux dissimulés derrière d'épaisses lunettes noires, cet inconnu prétend être originaire d'une planète lointaine : K-Pax. Sourire aux lèvres, il se laisse embarquer sans résistance par la police, qui le conduit à la clinique psychiatrique de Manhattan.
Le docteur Mark Powell, directeur de l'établissement, est un habitué des cas de dédoublement de personnalité. Mais le patient Prot l'intrigue et il veut en savoir davantage sur cet homme aux affirmations loufoques. Ce dernier s'accroche obstinément à son délire et brosse à qui veut l'entendre un tableau idyllique de K-Pax, ses moeurs pacifiques et son haut niveau culturel. Au fur et à mesure de ses entretiens, le docteur Powell en vient à se demander s'il n'y aurait pas un fond de vérité dans ses histoires d'extraterrestres.