На следующую ночь на месте преступления пойман убийца, и все решают, что предыдущие преступления совершены им же. Сообщение об этом прерывает затеянное Францем и доктором Олсеном расследование, когда они уже пришли к Калигари и пытаются разбудить сомнамбулу. Оставив Калигари и Чезаре в покое, они отправляются в полицейский участок, чтобы присутствовать при дознании. Однако пойманный убийца утверждает, что он не имеет отношения к первым двум убийствам — наоборот, он рассчитывал, что его преступление также спишут на таинственного ночного убийцу.

Джейн, не дождавшись возвращения Франца и отца, сама отправляется на ярмарку. Калигари приглашает её в шатер и пугает, показывая проснувшегося Чезаре. Джейн убегает. Ночью Франц пробирается на ярмарку, заглядывает в окошко фургончика и видит Калигари, который спит, сидя рядом с неподвижно лежащим Чезаре. Франц остаётся дежурить возле фургончика.

Но в это же самое время Чезаре крадётся по улицам города, сливаясь с тенями. С ножом в руке он пробирается в спальню к Джейн. Однако вместо того, чтобы убить её, он, поражённый её красотой, похищает её и уносит по крышам домов. Крики Джейн будят доктора Олсена. Тот поднимает тревогу. Спасаясь от погони, обессиленный Чезаре бросает девушку и затем сам теряет сознание.

Узнав от Джейн, что на неё напал Чезаре, Франц никак не может ей поверить — ведь он всё это время следил за Калигари и Чезаре. Он убеждается, что пойманный убийца по-прежнему сидит в тюрьме, и возвращается с полицейскими на ярмарку. Они требуют, чтобы Калигари предъявил им сомнамбулу. Оказывается, что в ящике лежит не Чезаре, а изображающая его кукла. Калигари убегает и скрывается от преследующего его Франца в психиатрической лечебнице. Франц осведомляется у врачей, есть ли у них пациент по имени Калигари. Ему предлагают поговорить с директором клиники, которым оказывается сам Калигари.

Франц рассказывает врачам о том, что произошло в городе. Ночью они обыскивают кабинет директора клиники и находят старинный трактат о сомнамбулизме, где рассказана история о докторе Калигари, который в 1703 году в Северной Италии организовал серию убийств руками сомнамбулы Чезаре, а также дневник директора, где тот пишет об опытах с сомнамбулой и о том, что спящего можно заставить делать всё что угодно против его воли. Узнав тайны сомнамбулизма, мечтает в дневнике директор, он сможет стать новым Калигари.

В этот момент приходит санитар и сообщает, что сомнамбулу нашли мёртвым в лесу. Франц предъявляет Чезаре директору клиники и требует, чтобы тот признался, что Калигари — это он. Директор впадает в буйство, на него надевают смирительную рубашку. «С тех пор, — заканчивает Франц свой рассказ, — безумец так и сидит в своей клетке».

Франц и его собеседник входят в общую залу психиатрической клиники, где находятся Джейн, Чезаре и другие душевнобольные. Франц спрашивает Джейн, когда же она выйдет за него замуж, но девушка отвечает, что «королевы не должны следовать велениям своих сердец», она безумна. В залу спускается директор клиники, которого Франц обвиняет в том, что он — тот самый Калигари. На Франца надевают смирительную рубашку. Он — сумасшедший, и весь его рассказ — бредовые видения.

Директор клиники говорит, что теперь, поняв характер мании Франца, он может ему помочь. Директор надевает очки и становится похож на Калигари.

Фильм в популярной культуре