Après avoir visionné une vidéo sur Internet, James se convainc que sa sœur, disparue depuis un séjour dans les bois, est toujours en vie. Ces images, tournées par un amateur en proie à la terreur dans une maison décrépite, laissent en effet brièvement voir une silhouette féminine. Il n’en faut pas davantage à James pour persuader deux de ses amis ainsi qu’un couple de chasseurs de fantômes de l’accompagner dans la forêt de Burkittsville, au Maryland, afin de réaliser un documentaire sur ses recherches. Chacun, pourvu d’une minicaméra, pourra ainsi capter en temps réel toutes les pistes qui s’ouvriront à eux. Après une première nuit de camping relativement calme, des événements inexpliqués et effrayants commencent à se produire, qui perturbent l’équilibre du groupe.