À la suite de leur déménagement, un couple et leur jeune fille, Chihiro, roulent vers leur nouvelle maison. Ils s'égarent en chemin et arrivent devant un mystérieux tunnel qui effraie Chihiro mais intrigue ses parents. En le traversant à pied ils se retrouvent, tous les trois, sur des collines en bordure de mer et découvrent ce qu'ils pensent être un ancien parc à thème abandonné.

Envoûtés par les odeurs de nourriture appétissante du parc, les parents de Chihiro s'installent sur la devanture d'un restaurant désert rempli de plats délicieux pendant que leur fille explore la ville. Lorsque soudainement la nuit tombe, des ombres étranges apparaissent un peu partout et se mettent à animer les rues. Effrayée, Chihiro retourne auprès de ses parents et découvre avec horreur qu'ils se sont transformés en cochons.

Coincé dans cet univers étrange dans lequel les humains ne sont pas acceptés, le corps de Chihiro commence à disparaître. C'est alors que le jeune et mystérieux Haku vient à son secours en lui faisant avaler un remède. Afin de s'intégrer à ce monde, qui s'avère être un lieu de repos et de détente pour les esprits, Chihiro va devoir travailler durement dans le bâtiment des bains, dirigé par la vieille sorcière Yubaba, pour tenter de venir en aide à ses parents. Ce bâtiment étrange est habité par une multitude d'êtres fantastiques qui vont tour à tour aider ou empêcher Chihiro de redonner un aspect humain à ses parents.