Mike (Josh Hutcherson) es un joven con mala suerte. Está criando a su hermana Abby (Piper Rubio) después de la muerte de sus padres. Tiene muy poco dinero y está en una disputa por la custodia con su tía Jane (Mary Stuart Masterson). A regañadientes acepta una oferta de trabajo de un consejero de carrera (Matthew Lillard) para trabajar como guardia de seguridad nocturno en un centro de entretenimiento familiar cerrado desde hace mucho tiempo (similar a Chuck E. Cheese) llamado Freddy Fazbear's Pizzeria. Freddy's fue cerrado en la década de 1980 después de la desaparición de varios niños allí. Pero el dueño se niega a vender el lugar y contrata guardias de seguridad para mantener la pizzería a salvo de vandalismo.

Aparte de asustarse varias veces por una estatua de "Balloon Boy", Mike principalmente duerme en su trabajo (y durante cualquier otro tiempo libre que tenga). Cuando duerme, Mike sueña con un trauma de su infancia. Mientras jugaba en una acampada familiar con su hermano Garrett, Mike pierde de vista a su hermano. Cuando encuentra a Garrett, solo a tiempo para ver a un desconocido secuestrar a su hermano y llevarse a Garrett en un coche. Cuando Mike sueña en Freddy's, también aparecen niños fantasmales al azar en sus sueños.

Mike se hace amigo de una oficial de policía llamada Vanessa (Elizabeth Lail), cuya patrulla incluye Freddy's. Vanessa sabe mucho sobre Freddy's y le muestra los gigantescos animatrónicos que actuaban para los niños cuando Freddy's estaba abierto. Incluyen a Freddy (un oso), Bonnie (un conejo de color morado), Chica (una gallina), Foxy (un zorro pirata) y Mr. Cupcake (un pastelito parlante). Más tarde, cuando algunos vándalos contratados por la tía Jane intentan entrar en Freddy's (ella espera que la intrusión haga que Mike pierda su trabajo y, por lo tanto, la custodia de Abby), los animatrónicos cobran vida y matan a los intrusos.

Mike lleva a Abby una noche y descubre que los animatrónicos son conscientes cuando comienzan a jugar con Abby. Más tarde, Abby dice que los animatrónicos le dijeron que están habitados por los fantasmas de los niños secuestrados. Mike se da cuenta de que son los mismos niños que aparecen en sus sueños. Vanessa (que sabía que los animatrónicos eran conscientes) no está contenta cuando se entera de que Abby se ha hecho amiga de los animatrónicos. Le dice a Mike que son peligrosos. Vanessa le muestra a Mike que un mecanismo de traba de resorte potente sujeta las carcasas exteriores de los animatrónicos a sus esqueletos eléctricos. Si el mecanismo se activa cerca de un humano, es probable que lo mate.

Mike se enfrenta a los niños en sus sueños. Dicen que pueden hacer que Mike tenga solo sueños felices en los que vive con Garrett y sus padres fallecidos. A cambio, quieren jugar con Abby... ¡para siempre! Mike inicialmente acepta esto, pero luego cambia de opinión. Los fantasmas luego hacen que los animatrónicos pongan a Mike en una trampa mortal de la que apenas escapa con la ayuda de Vanessa. Ella explica que el propietario de Freddy's, William Atherton, era un asesino que escondió los cuerpos de los niños secuestrados en los animatrónicos (Atherton también secuestró/mató a Garrett, aunque Garrett no es uno de los fantasmas). Vanessa explica que Atherton luego lavó el cerebro de los fantasmas para que hicieran su voluntad. Ella le dice a Mike que los animatrónicos pueden ser brevemente aturdidos con electricidad y le da una pistola eléctrica. Mientras tanto, Freddy va a la casa de Mike, donde convence a Abby de ir a Freddy's para "jugar".

Mike logra aturdir a Freddy, Chica, Mr. Cupcake y Bonnie. Rescata a Abby justo antes de que sea empalada por el mecanismo de traba de resorte de un disfraz después de que Chica la metiera dentro de uno. Los hermanos son confrontados luego por Foxy y un hombre disfrazado de conejo amarillo. El conejo amarillo se revela como el consejero de carrera que encontró el trabajo para Mike, pero en realidad es William Atherton (habiendo cambiado su identidad desde la década de 1980). Pelean y pronto se les une Vanessa, quien se revela como la hija de Atherton (explicando por qué sabía tantas cosas sobre Freddy's pero no estaba dispuesta a intervenir). Atherton apuñala a Vanessa y se prepara para matar a Mike y Abby también. Abby hace dibujos de William matando a los niños y cuando los animatrónicos ven los dibujos, deshacen su lavado de cerebro. Atacan a Atherton y es herido pero no mortalmente cuando el mecanismo de traba de resorte en su disfraz de conejo se activa. Atherton es arrastrado por los animatrónicos.

La película termina con Abby y Mike viviendo felices juntos. Visitan a Vanessa (que está en coma) en el hospital. Abby luego pregunta si pueden visitar a sus amigos (los fantasmas/animatrónicos) en Freddy's. Mike responde con un quizás.

En una escena post-créditos, la estatua de Balloon Boy asusta a un taxista (cameo de Cory "CoryxKenshin" Williams) que llevó a Freddy y Abby a la Pizzería.