El estudiante de cine Alex Wright y sus amigos Jennifer Parker, Trevor Thompson, Tessa Hamill y Jared Lee deciden producir un documental sobre la película original de Grave Encounters, que todo el público, excepto Alex, cree que es ficticia. Alex publica en Internet una petición de información sobre la película y recibe un mensaje de alguien llamado "DeathAwaits6". El mensaje le lleva a la madre de Sean Rogerson, el actor que interpretó a Lance en Encuentros en la tumba. Ella cree que Sean sigue vivo, pero descubren que tiene demencia y no se da cuenta de que su hijo está muerto.

Alex se da cuenta de que el reparto y el equipo de la primera película están desaparecidos o han muerto (excepto los directores, The Vicious Brothers, de los que se sabe que son en realidad internos del productor de la primera película, Jerry, y que no estaban directamente involucrados, lo que les permitió salvar sus vidas). Alex se encuentra con Hartfield, que le confiesa que la película era un auténtico found footage. Al descubrir que el hospital psiquiátrico de Collingwood de la película es en realidad un manicomio abandonado en la Columbia Británica (Canadá), Alex y sus amigos viajan hasta allí para encontrarse con DeathAwaits6, donde descubren una tabla ouija. Al utilizarlo para comunicarse con los espíritus, se dan cuenta de que su contacto en línea no es una persona, sino una entidad paranormal, que se vuelve violenta.

El grupo intenta escapar, lo que provoca la muerte de Jared (que es arrojado violentamente por la ventana) y de Tessa (su cabeza es aplastada por una fuerza invisible). Los supervivientes consiguen escapar del hospital y volver al hotel. Para su consternación, el ascensor del hotel les lleva de vuelta a los túneles bajo el hospital. Allí se encuentran con Rogerson y descubren que lleva más de nueve años atrapado dentro, lobotomizado y enloquecido. Rogerson les explica que la razón por la que el hospital está así se debe a los experimentos y rituales satánicos del Dr. Arthur Friedkin, que fusionaron el mundo espiritual y el físico. Les muestra una puerta roja y les dice que es la única salida, pero que está envuelta en cadenas. Los miembros supervivientes recuperan un cortador de cadenas que Trevor dejó en su bolsa de herramientas.

Mientras el grupo duerme por la noche, Rogerson, obligado por el Dr. Friedkin, mata a Trevor y luego roba el equipo para cortar las cadenas de la puerta. La atraviesa, sólo para darse cuenta de que la puerta no lleva a ninguna parte. Las entidades instruyen a un desquiciado Rogerson para que siga matando. Alex y Jennifer se despiertan y tropiezan con el altar satánico de Friedkin mientras éste realiza una lobotomía y luego sacrifica a un bebé. La pareja huye y se encuentra con Rogerson, que les exige que le entreguen las cintas para "terminar" la película, que es la única forma de escapar del hospital. Durante el forcejeo, un vacío se abre en la pared y absorbe a Rogerson.

Al darse cuenta de que Rogerson estaba siendo honesto en la forma de escapar, Alex mata a Jennifer, completando así la película. A continuación, sale del hospital por la puerta roja, que le lleva a las afueras de Los Ángeles. Es detenido mientras camina por la calle de noche. La última escena muestra que el material se ha convertido en una película, y Alex y el productor Jerry afirman que todo lo que el público ve ha sido montado y que es "sólo una película". Sin embargo, Alex dice a los entrevistadores que no se acerquen al hospital porque no vale la pena.

La película termina, cortando a una pantalla negra en la que aparecen los números "49, 14, 122, 48", que, si se buscan en un servicio como Google Maps, aparecen como las coordenadas aproximadas de latitud y longitud del Hospital Riverview, cerca de Vancouver, BC, Canadá (en realidad en 49.25,-122.81), donde se desarrolla la mayor parte de la historia de la película.