La película comienza muchos años atrás con la historia de un joven, Juan, y su madre soltera, Luisa. Juan sufre pesadillas con una entidad sin cara, que busca robar la esencia y el rostro de Juan. Luisa no le cree, hasta que ella misma es atacada.

Nos adelantamos unos años para seguir a John Farrell (Clive Owen), que vive con su esposa Susanna y su hija Mia (Ella Purnell). Un día, ella encuentra una caja en un árbol fuera de su casa. En la caja está la historia de Carahueca, que ella lee y luego entrega en la escuela como su propio trabajo. Estas acciones parecen volver a despertar a Carahueca, que comienza a acosarla.

Finalmente, Carahueca ataca a John, quien instala cámaras de seguridad en su casa. Después de un segundo ataque, la policía revisa las cintas y ve a Mia y John luchando contra un invento de su imaginación (sólo ellos pueden ver a Carahueca, Susanna no lo ve). Además, Carahueca le quita la boca a Mia para que no pueda hablar (su boca sigue ahí, pero su voz no está).

Volvemos a Juan y Luisa. Vemos que Luisa finalmente ha pedido ayuda a su sacerdote local. Empieza a rezar por Juan, y aparece Carahueca. Sólo Luisa y Juan pueden ver a Cara Hueca, y Luisa acorta la sesión de oración diciendo que la Iglesia no puede ayudarla.

Volviendo al presente, Mia está ahora en un hospital mental. Los psiquiatras afirman que existe un síndrome en el que dos personas pueden alucinar la misma visión y eso es lo que aflige a Juan y a Mia. Creen que el hecho de que John deje a la familia ayudará a Mia a recuperarse. Él está molesto, pero está de acuerdo en mantenerse alejado. Susanna lleva a Mia a casa y el psiquiatra le pone una inyección que despertará a Mia si tiene más pesadillas.

Volviendo al pasado, vemos que Luisa y Juan se han mudado de su apartamento a otro país. Luisa se ha casado y le asegura a Juan que Carahueca no los encontrará allí. Juan sigue teniendo pesadillas, pero su padrastro insiste en que Juan se consuele. Juan escribe entonces una historia de Carahueca y la esconde en un árbol, terminando así con sus pesadillas. Esta es la historia que Mia encontró muchos años después y que despierta a Carahueca.

Mientras John está solo por la noche, piensa en su juventud. Luego conduce a visitar a su madre y le dice que ahora recuerda todo. Resulta que John es Juan y la abuela de Mia es Luisa, y que él simplemente cambió su nombre y reprimió sus recuerdos después de escribir la historia de Carahueca. Le pregunta a su madre sobre la verdad de Carahueca. Resulta que el padre de Juan era un criminal violento que se volvió loco en la cárcel. Cuando fue liberado, localizó a John e intentó secuestrarlo después de agredir a su madre. Luisa se las arregló para superar al padre de John, y mientras su padre huía, el padre de John cayó a su muerte. El joven Juan, incapaz de hacer frente a estos acontecimientos, creó Carahueca y proyectó la entidad sobre su padre. Juan se da cuenta de que los psiquiatras tenían razón y que los delirios de Mia provienen de su imaginación compartida, y se apresura a volver a casa.

Mientras tanto, Mia entra en un episodio psicótico, donde imagina a Carahueca secuestrándola y empezando a absorber su cuerpo y su alma. Susanna la inyecta con la aguja, pero no tiene ningún efecto. John irrumpe en la casa y comienza a hablar con Mia, contándole el final de la historia de Hollowface. Dice que Carahueca nunca tiene éxito mientras los niños estén protegidos por el amor de sus padres. Esto saca a Mia de su estado psicótico, y Carahueca desaparece.