La vallée des poupées est un roman sur l’amitié entre trois femmes, les périls et les récompenses de la renommée 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, trouvent la gloire, 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 part travailler au cabinet d’avocats théâtral Bellamy and Bellows, et devient rapidement indispensable à son chef, Henry Bellamy. Elle loue une chambre modeste dans une pension de famille, où elle rencontre l’adolescente Ethel « Neely » O’Neill, une danseuse en difficulté. Anne est courtisée par Allen Cooper mais tombe amoureuse de Lyon Burke, un ancien employé d’Henry Bellamy qui est revenu des combats de la Seconde Guerre mondiale. Jennifer North, une mannequin qui se lance dans la comédie malgré le fait qu’elle ne sait ni chanter, ni danser, ni jouer, est une cliente.
Neely est embauchée comme danseuse dans un spectacle mettant en vedette Helen Lawson, une actrice célèbre qui est également cliente de Bellamy et Bellows, mais finit par être la doublure d’un rôle majeur. Helen Lawson décide que l’actrice dans ce rôle détourne l’attention d’elle et parvient à la faire démissionner. Lorsque Neely prend le relais, elle est un succès critique; sa carrière décolle.
Allen Cooper révèle à Anne qu’il est un millionnaire qui a gardé sa richesse secrète pour s’assurer que la femme à qui il propose dise oui pour lui et non pour son argent. Anne ne veut pas l’épouser mais il la persuade 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 d’abord pour se marier et déménager en Californie pour poursuivre une carrière cinématographique; 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 les soutenir tous les deux en tant qu’écrivain, mais ils passent toutes leurs nuits ensemble. Les trois relations se dissolvent. Neely quitte son mari pour son costumier. Jennifer, qui s’ennuie en Californie pendant que son mari fait avancer sa carrière, commence à se droguer pour passer le temps et l’aider à dormir. Elle apprend que son mari est retardé d’une condition qu’il transmettra à tous les enfants et avorte 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 songera pas. Il se rend en Angleterre pour écrire un livre sur la guerre.
1948
Anne quitte son emploi chez Bellamy and Bellows pour être la représentante exclusive de Gillian Cosmetics. Elle est la « Gillian Girl », et la position la rend riche. Elle se retrouve dans une liaison sans passion avec le beaucoup plus âgé Kevin Gillmore, le propriétaire de Gillian Cosmetics. Jennifer se lie avec un réalisateur français et part en Europe pour jouer dans des films pour adultes qui la montrent nue. Toujours incapable d’agir mais parlant couramment le français, elle devient célèbre pour son beau corps.
1950
Sous la pression des exigences de la célébrité, Neely se tourne vers la drogue et l’alcool pour l’aider à rester mince, à dormir et à faire face au stress. Elle dort pendant la fête du premier anniversaire de ses fils jumeaux et ruine également son deuxième mariage. Elle est larguée par son studio car 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 plus de films.
1957-1961
Jennifer tombe amoureuse d’un sénateur et a hâte de fonder une famille. Un bilan 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 la parole. Il lui dit qu’il considère ses seins comme ses bébés. Elle se suicide plutôt que d’être défigurée. Neely vient pour les 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 retourne à New York depuis Londres pour un travail 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 cache pas son regain d’intérêt pour Lyon. Kevin rompt finalement avec elle. Avec l’aide de son ami Henry Bellamy (et à l’insu de Lyon), Anne parvient à obtenir des projets d’écriture à plus long terme pour Lyon qui le maintiennent à New York.
La retraite d’Henry de Bellamy et Bellows permet à Anne de garder Lyon à New York en permanence. Anne donne secrètement à Henry suffisamment d’argent pour qu’il 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 chez le renommé Bellamy, Bellows et Burke, en supposant qu’Henry l’aide pour que l’entreprise ne soit pas rachetée par un rival.
1962-1965
Anne et Lyon se marient et ont une petite fille. Neely est libéré de Haven Manor et devient un client de Bellamy, Bellows et Burke. Elle demande de plus en plus de temps à Lyon, alors Anne et le bébé passent une grande partie de leur 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 l’entreprise. Il jure à Anne qu’il lui remboursera chaque centime mais qu’il ne sera plus contrôlé par elle. Anne se tourne vers Henry pour obtenir de l’aide; 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 s’occupe pendant la journée; elle prend Seconal la nuit pour dormir.
Lyon et Neely continuent pendant plusieurs années, mais se séparent lorsqu’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 lors d’une soirée, et se rend compte que même si elle l’aime toujours, à chaque liaison elle l’aimera moins jusqu’à ce qu’il ne reste plus rien.