En octobre 1994, les étudiants en cinéma Heather Donahue, Michael C. Williams et Joshua Leonard ont entrepris de réaliser un documentaire sur la légendaire Blair Witch. Ils se rendent à Burkittsville, dans le Maryland, dont la ville s'appelait autrefois Blair. Ils interviewent les habitants de la région au sujet de la légende de la Blair Witch. Les habitants leur parlent de Rustin Parr, un ermite qui a kidnappé sept enfants dans les années 1940 et les a amenés dans sa maison dans les bois, où il les a torturés et tués. Parr a amené les enfants dans la cave de sa maison par deux, forçant le premier enfant à se tourner vers le coin et à écouter les cris de son compagnon alors qu'il assassinait le second. Parr assassinait ensuite le premier enfant. Parr a fini par se rendre à la police, puis a plaidé la folie, disant que l'esprit d'Elly Kedward, une sorcière pendue au 18e siècle, le terrorisait depuis un certain temps et a promis de le laisser tranquille s'il assassinait les enfants. Les trois étudiants interrogent également Mary Brown, une excentrique locale qui leur raconte qu'elle a rencontré la sorcière Blair lorsqu'elle était enfant.
Le deuxième jour, les élèves commencent à explorer les bois du nord de Burkittsville à la recherche de preuves de la présence de la sorcière Blair. En cours de route, un pêcheur les prévient que les bois sont hantés, et se souvient d'une époque où il avait vu une étrange brume s'élever de l'eau. Les étudiants font une randonnée jusqu'à Coffin Rock, où cinq hommes ont été retrouvés assassinés de façon rituelle au XIXe siècle, puis ils campent pour la nuit. Le lendemain, ils s'enfoncent plus profondément dans les bois, bien qu'ils ne sachent pas exactement où ils se trouvent sur la carte. Ils finissent par localiser ce qui semble être un vieux cimetière avec sept petits cairns. Ils installent leur campement à proximité et retournent au cimetière à la tombée de la nuit. Plus tard, ils entendent des crépitements dans l'obscurité qui semblent venir de toutes les directions et supposent que les bruits proviennent d'animaux ou de locaux qui les suivent.
Le jour suivant, ils tentent de retourner à leur voiture, mais ne parviennent pas à trouver leur chemin ; ils essaient jusqu'à la nuit tombée, où ils sont obligés de camper. Cette nuit-là, ils entendent à nouveau des crépitements, mais ils ne voient rien. Le lendemain matin, ils découvrent que trois cairns ont été construits autour de leur tente pendant la nuit. Alors qu'ils continuent à essayer de trouver leur chemin pour sortir des bois, Heather se rend compte que sa carte a disparu, et Mike révèle plus tard qu'il l'a jetée dans un ruisseau par frustration la veille. Josh et Heather se mettent en colère contre Mike. Ils se rendent alors compte qu'ils sont maintenant désespérément perdus, et décident de simplement "se diriger vers le sud". Bientôt, ils découvrent une multitude de personnages humanoïdes en forme de bâton, suspendus à des arbres. Cette nuit-là, ils entendent d'autres bruits étranges, notamment des bruits d'enfants et des sons bizarres de "morphing". Lorsqu'une force inconnue secoue la tente, ils s'enfuient en panique et se cachent dans les bois jusqu'au matin. De retour à leur tente, ils découvrent que leurs biens ont été fouillés et que l'équipement de Josh est couvert de bave, ce qui les amène à se demander pourquoi seuls ses biens ont été touchés. Au fur et à mesure que la journée avance, ils passent une bûche sur un ruisseau identique à celui qu'ils avaient passé plus tôt, bien qu'ils aient voyagé directement vers le sud toute la journée, et montent à nouveau le camp, complètement démoralisés d'avoir perdu toute la journée à tourner en rond, avec Josh dehors pour monter la garde.
Josh disparaît le lendemain matin. Après l'avoir retrouvé, Mike et Heather finissent par lever le camp et se mettent lentement en route. Cette nuit-là, ils entendent Josh crier dans l'obscurité, mais ne parviennent pas à le retrouver. Le lendemain matin, Heather trouve un paquet de bâtons et de tissu à l'extérieur de leur tente. Une inspection ultérieure révèle qu'il contient des morceaux de la chemise de Josh trempés de sang, ainsi que des dents et des cheveux, mais elle n'en parle pas à Mike.
Ce soir-là, Heather s'enregistre en s'excusant auprès des coproducteurs de son projet ainsi qu'auprès de sa famille, et se met à pleurer, admettant enfin son sort. Plus tard, ils entendent à nouveau Josh crier au secours, mais cette fois-ci, ils les suivent et découvrent une maison abandonnée dans les bois. Sur la façade de la maison, ils sont suspendus au même bâton humain qu'ils ont vu dans les bois. Mike court à l'étage, en suivant la voix, tandis qu'Heather essaie de le suivre. Mike affirme alors qu'il entend Josh dans le sous-sol. Il suit le son et, après ce qui semble être une lutte, se tait et tombe par terre. Heather court au sous-sol en criant pour Mike, mais elle n'entend pas Mike. Elle entre alors dans la cave à la recherche des deux hommes, et sa caméra aperçoit Mike face au mur. Heather crie alors qu'elle et sa caméra tombent par terre. Il n'y a qu'un silence à la fin de l'enregistrement.
