En una celda de la Casa de Detenciones de Sao Paulo, mejor conocida por Carandiru, dos presos (Lula y Dagger) tienen una cuenta que saldar. La atmósfera es tensa. Otro preso, Black Nígger, "juez" autoproclamado por mediar en disputas entre prisioneros, resuelve el caso a tiempo de dar la bienvenida al nuevo Doctor, encargado de comenzar un programa de prevención del SIDA en la penitenciaría.

El Doctor se enfrenta con los muchos serios problemas que tiene la cárcel más grande de Latinoamérica: celdas superpobladas, instalaciones decadentes, enfermedades como la TB, leptospirosis, cachexia, y los comienzos de una epidemia de SIDA. Los presos no tienen acceso ni a cuidados médicos ni a asistencia legal. Carandiru, que alberga más de siete mil prisioneros, es un gran desafío para el recién llegado. Pero tras trabajar allí durante unos meses descubre algo que le transformará: los reclusos, incluso en esta detestable situación, no son figuras demoníacas. En el contacto diario con los prisioneros en su improvisada oficina, el Doctor es testigo de la solidaridad, organización y, sobre todo, las inmensas ganas de vivir.

A pesar de ser un famoso oncólogo acostumbrado a trabajar con la tecnología más avanzada, el Doctor se ve obligado a practicar medicina rudimentaria con sólo un estetoscopio, su instinto y un buen oído. Su trabajo comienza a dar frutos y el Doctor gradualmente se gana el respeto de los presos. Con el respeto vienen los secretos. Sus consultas comienzan a tratar de temas más allá de la enfermedad cuando los reclusos empiezan a contarle la historia de su vida. Sus reuniones con los pacientes en la consulta se convierten en "ventanas" al mundo del crimen.

Mediante una serie de flashbacks, surgen las historias personales de los reclusos: La amistad de Zico y Deusdete, inseparables desde la niñez y la adolescencia, tiene un trágico final en la cárcel; Highness, el carismático camello que se pavonea por doquier y disfruta de los favores de dos mujeres que compiten entre sí, Dalva y Rosirene. Old Chico, criminal durante toda su vida que adora confeccionar globos que floten por encima de las paredes de la prisión, está a punto de ser liberado y volverá a ver de nuevo a sus 18 hijos; el "juez" Black Nigger, el líder de los presos, que tiene que tratar con tantos problemas que se le diagnostica estrés de ejecutivo; el brutal asesino Dagger, condenado en 39 ocasiones, que sufre una violenta e inesperada conversión religiosa; el surfero Ezequiel que se ve obligado a interpretar su propio fallecimiento en la cárcel; amigos y atracadores de bancos, Antonio Carlos y Claudiomiro, que tienen una pelea con la astuta y perversa Dina; el "filósofo" existencialista No Way que tiene una bonita historia de amor con la divina Lady Di, y el Jefe Guardián, Sr. Pires que tiene la misión de gestionar la prisión.

La narrativa de la película es similar a un puzzle. Una historia choca contra otra para confeccionar un retrato realista de la tragedia social que envuelve Brasil. Junto al Doctor el público sigue la rutina diaria de los presos hasta la fatídica fecha del 2 de octubre de 1992 - el día que se estremeció la Casa de Detenciones y todo Brasil: la Masacre de Carandiru.