Usando notas escritas a mano como pistas, Annabelle Mullins juega al escondite con su padre, fabricante de muñecas, Sam, que dirige su compañía de juguetes desde la remota casa de campo de la familia. Cuando sus padres se detienen para arreglar un neumático en su camino a casa desde la iglesia, Annabelle, corre hacia la carretera y muere a causa de un coche que pasa.

12 años después. Con su desfigurada esposa Esther viviendo recluida en un cuarto trasero, Sam abre su casa a un orfanato que necesita una nueva ubicación. La hermana Charlotte se muda a la casa de Sam con las huérfanas mayores Nancy y Carol, las menores Kate y Tierney, y las mejores amigas Linda y Janice, esta última coja por la polio.

Sam prohíbe a cualquiera entrar en el dormitorio de su hija. La hermana Charlotte y algunas de las niñas comienzan a tener experiencias espeluznantes cuando están solas, como si alguien estuviera en una habitación con ellas.

Una nota encontrada en el suelo lleva a Janice a un armario en el dormitorio de Annabelle. Janice descubre la muñeca Annabelle al otro lado de la puerta del armario, está cubierta de páginas de la Biblia. Asustada por el aspecto de la muñeca, Janice pone una sábana sobre ella. La muñeca se levanta y camina hacia Janice, pero no hay nada cuando la sábana cae al suelo. Más tarde, Linda se encuentra con la muñeca mientras se esconde en un pasadizo secreto.

La hermana Charlotte le muestra a Sam una foto de ella en Rumania con otras tres monjas. Sam nota una espantosa quinta monja en una sombra dentro de la foto.

Carol y Nancy se asustan por un espectro mientras juegan a un juego de fantasmas bajo una manta. Las chicas asumen que la forma de la sombra era la Sra. Mullins, lo que Sam afirma que es imposible ya que Esther no ha sido capaz de caminar durante años.

Janice encuentra una fotografía de Annabelle Mullins con la muñeca. Ojos demoníacos aparecen en la foto cuando está en la oscuridad.

Asustada por la muñeca, Linda deja a Janice sola con ella. La actividad paranormal plaga a Janice, obligándola a huir de la habitación cuando una visión de Annabelle Mullins se transforma en un demonio que exige el alma de Janice.

Una oscura nube de humo persigue a Janice hasta la telesilla que necesita para bajar las escaleras. A mitad de la escalera, el ascensor invierte la dirección, llevando a Janice de vuelta hacia Annabelle. Una fuerza sobrenatural tira repentinamente a Janice en el aire y finalmente la deja caer al piso de abajo.

Sam y Charlotte llevan a Janice de vuelta a la casa después de que se recupere en el hospital. Janice le dice a Charlotte que una malvada presencia que ella cree que es Annabelle Mullins viene por su alma porque es la más débil de las niñas. Janice advierte que necesitan salir de la casa.

Al discutir lo que le pasó a Janice con su esposa, Sam especula que cometieron un error al abrir su casa a los huérfanos. Esther sostiene que la experiencia de Janice fue sólo un accidente.

Linda se asoma por el ojo de la cerradura y ve la muñeca en una mecedora. Cuando abre la puerta, la muñeca ya no está allí. Asustada, Linda hace guardia en su habitación disparando una pistola de juguete a la sombra. Una figura en la oscuridad agarra la pelota del arma y levanta la línea de tambor. Linda se esconde en su cama y mira por encima de su litera después de que la cama se sacude y ve huellas en el suelo. Linda ve la muñeca antes de que una mano oscura la aleje.

Dejada sola afuera en su silla de ruedas, Janice es empujada repentinamente al granero por una figura oscura que lleva una túnica y un hábito de monja. Janice se enfrenta a Annabelle en un semisótano. Annabelle vomita ectoplasma negro en la boca de Janice. Después de que Charlotte y Linda la encuentran, Janice comienza a comportarse como si estuviera poseída.

Sam habla con Linda sobre Janice. Linda le dice a Sam que Janice vio a su hija. Linda también revela que encontraron la muñeca, lo que Sam dice que es imposible porque la selló.

Sam entra en la casa y encuentra la muñeca sentada en el comedor con una nota de escondite. Janice se transforma en un demonio. El demonio sobrenaturalmente chasquea todos los dedos de Sam en la mano que sostiene un crucifijo hacia la criatura. Charlotte encuentra a Sam muerto en el suelo.

Linda le quita la muñeca a Janice mientras duerme y la tira a un pozo en el exterior. Charlotte rescata a Linda cuando las manos demoníacas comienzan a tirar de ella en el pozo. Charlotte y Linda reemplazan la tapa del pozo y corren de vuelta a la casa mientras la tapa traquetea violentamente. Una vez dentro, Charlotte y Linda ven que la muñeca ha vuelto al sofá.

Charlotte confronta a Esther con la muñeca. Esther confiesa que después de que su hija muriera, ella y Sam se dedicaron a cualquier poder que les permitiera estar con Annabelle de nuevo. Le dieron permiso a un espíritu para habitar la muñeca. Inicialmente, la pareja tuvo visiones fugaces de Annabelle en la casa, pero se dieron cuenta de que la presencia no era su hija.

Al tratar de tomar el alma de Esther, el demonio le arrancó el ojo y dejó a la mujer lisiada. Sam buscó ayuda en la iglesia. Ester se salvó pero el mal seguía unido a la muñeca, así que dos sacerdotes sellaron la muñeca dentro del armario del dormitorio. Sam y Esther pensaron que ayudar a los huérfanos sería su penitencia, pero sin darse cuenta dieron al demonio acceso a lo que más quería.

El rostro de las niñas huérfanas poseía a Janice. Janice corta a Carol, causando que todos huyan. Las niñas encuentran a Esther partida por la mitad, con la parte superior del torso clavada a una pared. Janice levita a Charlotte y la arroja a un espejo. Linda es arrastrada hacia la oscuridad.

Mientras intentan arrancar el auto afuera, Carol, Nancy y Kate ven un espantapájaros en los faros. Carol termina atrapada en el granero con el espantapájaros, que cobra vida y ataca. Nancy rescata a Carol antes de que el espantapájaros pueda matarla.

De vuelta a la casa, Linda usa al tonto camarero para bajar al sótano. Allí se enfrenta a una malvada encarnación de la Sra. Mullins mientras el torso ensangrentado de Esther se arrastra hacia ella. Perseguida por el demonio, Linda sube de nuevo por el hueco del camarero tonto.

Janice va tras Linda. Linda se esconde en el armario donde la muñeca fue descubierta por primera vez. Charlotte rescata a Linda y atrapa a Janice dentro del armario. Mientras la actividad paranormal consume la casa, Charlotte y Linda escapan afuera donde se reagrupan con los otros cuatro huérfanos.

La policía investigadora abre más tarde el armario, encontrando sólo la muñeca y un agujero en la pared. El padre Massey afirma que el mal ya no está en la muñeca y la entrega a la policía cuando todos los huérfanos se niegan a tomarla. La hermana Charlotte y los huérfanos dejan la casa de los Mullins en busca de otro lugar para vivir.

Aún poseída, Janice reaparece en el orfanato de San Joaquín con el nombre de Annabelle. Pete y Sharon Higgins la adoptan.

12 años después - Ahora adulta, Annabelle irrumpe en la casa de sus padres con su novio, el líder del culto, y asesina a Pete y Sharon. La vecina de los Higgins, Mia Form, escucha los gritos de Sharon y envía a su marido John a investigar.