Jerry Hartfield est le producteur de Grave Encounters, une émission de télé-réalité réalisée par le chasseur de fantômes Lance Preston. Hartfield explique que l’émission a été annulée après cinq épisodes suite à la disparition de son équipe, et présente des scènes brutes de séquences récupérées du sixième et dernier épisode. L’équipe de Grave Encounters est composée de Lance, de la spécialiste en occultisme Sasha Parker, de l’opérateur de surveillance Matt White, du caméraman T.C. Gibson et du faux médium Houston Grey. L’équipe est invitée à examiner l’hôpital psychiatrique abandonné de Collingwood, où des phénomènes inexpliqués sont signalés depuis des années. Le directeur de l’hôpital leur fait faire une visite guidée et les informe de l’histoire de l’hôpital, notamment d’un médecin du nom d’Arthur Friedkin, qui a réalisé des expériences contraires à l’éthique et des lobotomies sur les patients de l’hôpital avant d’être tué par eux. L’équipe s’enferme à l’intérieur de l’hôpital pour la nuit et commence son enquête, installant son camp près de l’entrée principale. Aucune activité paranormale ne semble se produire au cours des premières heures, jusqu’à ce qu’une porte claque derrière T.C.. L’équipage tente d’établir un contact avec les entités, et les incidents deviennent rapidement plus hostiles.

L’équipage commence à remballer en prévision du déverrouillage de l’hôpital par le directeur. Matt disparaît et les autres membres passent plusieurs heures à le chercher. Lorsque le directeur ne revient pas, l’équipage force les portes d’entrée mais découvre qu’elles mènent à un autre couloir, ainsi qu’à d’autres fausses sorties. Ils constatent également qu’il fait encore nuit à l’extérieur du bâtiment alors que leurs horloges indiquent qu’il est bien plus tôt que le matin. Ils rencontrent une fille dont le visage se déforme de façon démoniaque. Alors qu’ils fuient de peur, Houston est étranglé à mort par une force invisible. L’équipage découvre qu’ils ont été équipés de bracelets d’identification hospitaliers portant leurs noms. Ils retrouvent Matt, vêtu d’une blouse d’hôpital et devenu fou ; il marmonne des absurdités et explique que le seul moyen de s’échapper est d’être “guéri” par les résidents de l’hôpital.

T.C. est entraîné dans une baignoire remplie de sang et disparaît tandis que Matt se jette dans une cage d’ascenseur. Lance et Sasha sont attaqués par un démon et entrent dans les tunnels à la recherche d’une sortie. Sasha tombe malade et est enlevée par une brume. Lance, terrifié et instable, erre seul dans les tunnels et se nourrit de rats vivants pour survivre. Il trouve une porte menant à la salle d’opération de Friedkin, qui contient des preuves de rituels sataniques et de magie noire. Il voit les apparitions de Friedkin et de plusieurs infirmières, qui traînent Lance hurlant vers une table d’opération. La caméra se coupe pendant quelques instants avant d’être rallumée par un Lance lobotomisé, qui proclame qu’il est guéri et peut partir.