Neil Patrick Harris interpreta Billy, alias Dr. Horrible, un supercattivo in erba i cui piani di dominio del mondo vanno continuamente a monte. I suoi due obiettivi: essere accettato nella Lega del Male, e trovare il coraggio di parlare con Penny, la ragazza del suo cuore che lavora nella lavanderia a gettoni, interpretata da Felicia Day. L'unica cosa che si frappone tra lui e i suoi sogni è Captain Hammer, l'arcirivale supereroe di Billy, interpretato da Nathan Fillion. Con un grande colpo, Billy potrebbe entrare nella L.D.M. e guadagnarsi il rispetto di Penny, ma solo se riuscirà a tenerla lontana dall'affascinante Captain Hammer...