La Vallée des poupées est un roman sur l’amitié entre trois femmes, les dangers et les récompenses de la célébrité et la dépendance chimique. L’histoire s’étend sur vingt ans, de 1945 à 1965, et se déroule principalement à New York. Anne Welles, Neely O’Hara et Jennifer North deviennent amies et colocataires, deviennent célèbres, se marient et prennent des amants, et se tournent vers la drogue pour faire face aux problèmes qu’elles rencontrent.
[1945
À dix-neuf ans, Anne Welles quitte sa ville natale de Lawrenceville pour l’effervescence de New York. Elle va travailler dans le cabinet d’avocats spécialisé dans le théâtre Bellamy and Bellows et devient rapidement indispensable à son directeur, Henry Bellamy. Elle loue une modeste chambre dans une pension de famille, où elle rencontre Ethel « Neely » O’Neill, une danseuse en difficulté. Anne est courtisée par Allen Cooper mais tombe amoureuse de Lyon Burke, un ancien employé de Henry Bellamy qui est revenu de la Seconde Guerre mondiale. Jennifer North, un mannequin qui se lance dans le métier d’actrice malgré le fait qu’elle ne sache ni chanter, ni danser, ni jouer, est une cliente.
Neely est engagée comme danseuse dans un spectacle mettant en scène Helen Lawson, une actrice célèbre qui est également une cliente de Bellamy et Bellows, mais se retrouve comme doublure pour un rôle important. Helen Lawson décide que l’actrice dans ce rôle détourne l’attention d’elle et parvient à la faire démissionner. Lorsque Neely prend la relève, elle rencontre un succès critique et sa carrière décolle.
Allen Cooper révèle à Anne qu’il est millionnaire et qu’il a gardé le secret sur sa fortune pour s’assurer que la femme à qui il propose de se marier dise oui pour lui et non pour son argent. Anne ne veut pas l’épouser mais il la convainc de porter sa bague et d’envisager le mariage. Quoi qu’il en soit, Anne et Lyon Burke deviennent amants lors d’un voyage d’affaires. Un malentendu entre eux la laisse bloquée loin de chez elle. Lorsqu’elle se tourne vers Jennifer North pour obtenir de l’aide, les deux filles deviennent amies.
Les trois femmes connaissent un succès modéré et deviennent colocataires. Neely part en premier pour se marier et déménager en Californie pour poursuivre une carrière dans le cinéma ; Jennifer épouse le célèbre chanteur Tony Polar et déménage en Californie avec lui et sa sœur. Lyon n’épousera pas Anne tant qu’il ne pourra pas subvenir à leurs besoins en tant qu’écrivain, mais ils passent toutes leurs nuits ensemble. Les trois relations se dissolvent. Neely quitte son mari pour son créateur de costumes. Jennifer, qui s’ennuie en Californie pendant que son mari fait avancer sa carrière, commence à prendre de la drogue pour passer le temps et l’aider à dormir. Elle apprend que son mari est retardé mental à cause d’une maladie qu’il transmettra à ses enfants, et avorte de l’enfant qu’elle porte. Anne hérite de la maison de sa mère et Lyon veut s’y installer pour écrire, mais Anne déteste tellement Lawrenceville qu’elle n’y pense pas. Il part en Angleterre pour écrire un livre sur la guerre.
1948
Anne quitte son emploi chez Bellamy et Bellows pour devenir la représentante exclusive de Gillian Cosmetics. Elle est la « Gillian Girl » et ce poste la rend riche. Elle finit par avoir une liaison sans passion avec Kevin Gillmore, le propriétaire de Gillian Cosmetics, bien plus âgé que lui. Jennifer se met en couple avec un réalisateur français et part en Europe pour jouer dans des films pour adultes où elle est nue. Toujours incapable d’agir mais parlant couramment le français, elle devient célèbre pour son corps magnifique.
1950
Sous la pression des exigences de la célébrité, Neely se tourne vers la drogue et l’alcool pour rester mince, dormir et gérer le stress. Elle dort pendant le premier anniversaire de ses jumeaux et ruine également son deuxième mariage. Son studio la quitte parce qu’elle retarde tellement la production que ses films ne sont pas rentables (même s’ils sont populaires). Elle tente de se suicider pour manipuler le studio afin de la maintenir au statut de star, mais termine son contrat sans faire d’autres films.
1957-1961
Jennifer tombe amoureuse d’un sénateur et espère fonder une famille. Un examen gynécologique révèle qu’elle a un cancer du sein ; on lui conseille de subir une mastectomie et une hystérectomie. Elle commence à dire à son fiancé qu’elle ne pourra jamais avoir d’enfants à cause du cancer, mais il lui coupe les ponts. Il lui dit qu’il considère ses seins comme ses bébés. Elle se suicide plutôt que d’être défigurée. Neely vient aux funérailles et reste avec Anne. Elle perd la capacité de chanter pour des raisons psychologiques. Dans un moment d’apitoiement sur elle-même, elle tente à nouveau de se suicider. Cette fois, Anne la fait interner dans un établissement psychiatrique, où Neely restera plusieurs années.
Lyon Burke revient de Londres à New York pour une mission d’écriture et rencontre Anne. Ils décident de passer le plus de temps possible ensemble, malgré le fait qu’Anne soit fiancée à Kevin. Anne ne fait aucune tentative pour cacher son intérêt renouvelé pour Lyon. Kevin finit par rompre avec elle. Avec l’aide de son ami Henry Bellamy (et sans que Lyon le sache), Anne parvient à obtenir des projets d’écriture à long terme pour Lyon qui le retiennent à New York.
La retraite d’Henry de Bellamy et Bellows permet à Anne de garder Lyon à New York de manière permanente. Anne donne secrètement à Henry suffisamment d’argent pour qu’il le prête à Lyon (sous prétexte que c’est son argent) afin que Lyon puisse se permettre d’acheter la part d’Henry dans l’entreprise. Lyon renonce à écrire pour reprendre son poste au sein de Bellamy, Bellows et Burke, en supposant qu’Henry l’aide à empêcher que l’entreprise ne soit rachetée par un rival.
1962-1965
Anne et Lyon se marient et ont une petite fille. Neely est libérée du Haven Manor et devient une cliente de Bellamy, Bellows et Burke. Elle exige de plus en plus de temps de Lyon, donc Anne et le bébé passent beaucoup de temps seuls. Un article de journal alerte Anne que Lyon et Neely ont une liaison. Neely raconte à Lyon comment Anne est vraiment celle qui a financé son achat de la société. Il jure à Anne qu’il la remboursera jusqu’au dernier centime mais qu’il ne sera plus contrôlé par elle. Anne se tourne vers Henry pour obtenir du soutien ; il lui dit de tenir le coup et lui donne des pilules pour l’aider à faire face. Elle trouve du travail dans une émission de télévision et reste occupée pendant la journée ; elle prend du Seconal le soir pour dormir.
Lyon et Neely continuent à sortir ensemble pendant plusieurs années, mais ils se séparent quand elle devient trop exigeante pour lui. Neely quitte Bellamy, Bellow et Burke pour un rival. Anne découvre Lyon et un jeune client en train de s’embrasser dans une chambre à coucher lors d’une fête et se rend compte que même si elle l’aime toujours, à chaque aventure elle l’aimera de moins en moins jusqu’à ce qu’il ne reste plus rien.