Sophie Bishop y su novio Dan visitan a los padres de Sophie en Phoenix, Arizona, en el 20º aniversario de la desaparición de su hermano mayor Josh. El 13 de marzo de 1997, la familia es testigo de las Luces de Phoenix durante la fiesta de sexto cumpleaños de Sophie, y Josh graba el incidente. Varias luces extrañas aparecen en formación de "V" sobre la ciudad antes de desaparecer, seguidas de cerca por aviones de combate. Josh se convence de que han sido testigos de los ovnis, aunque los demás siguen siendo escépticos. Con la esperanza de encontrar respuestas al destino de su hermano, Sophie comienza a revisar todas las cintas de vídeo guardadas por Josh.

En las cintas, Josh comienza a investigar las Luces de Phoenix con la ayuda de sus amigos Ashley y Mark. Ashley y Josh entrevistan a dos astrónomos, que teorizan que las luces eran bengalas lanzadas por aviones de la cercana base aérea de Luke. Sin embargo, Ashley y Josh siguen sin estar convencidos. Varios días después, aparecen más luces misteriosas sobre Mesa. Con la esperanza de capturar las luces en una película y con mejor calidad, Josh, Ashley y Mark se dirigen a Mesa. Al llegar, el trío sube a una colina en las afueras de la ciudad antes de notar un foco en la distancia orientado hacia el cielo. Curiosos, el trío camina hacia el foco, donde encuentran una reunión de agentes del sheriff y hombres misteriosos. Josh se da cuenta de que los coches de los hombres no tienen matrícula. El grupo es descubierto por los hombres, lo que les obliga a huir. Al día siguiente, Josh traza el curso aparente de las luces, determinando que pronto aparecerán sobre una zona aislada del desierto. En el presente, Sophie sigue entrevistando a varias personas en relación con la desaparición del trío. Sólo se descubre el coche abandonado del grupo y una cámara con una sola cinta. Sophie ve la cinta recuperada, que muestra el inicio del viaje del grupo para encontrar las luces y el descubrimiento de un cadáver de animal carbonizado.

Cuando la cinta termina, Sophie se niega a creer que Josh no haya grabado el resto del viaje. Llega a la conclusión de que Josh debía tener una segunda cámara. Sophie y Dan visitan el instituto local, donde Ashley era editora de cine y habría tenido acceso a dicho equipo. Sin embargo, el profesor de cine no tiene ningún registro que pueda haber sido rellenado, dejando a Sophie en un callejón sin salida. Antes de partir de Phoenix, se entrevista con sus padres, que le revelan que la tensión de la desaparición de Josh les hizo divorciarse. A la noche siguiente, Sophie recibe una llamada del profesor, que afirma haber encontrado algo. Vuelve a Phoenix y recibe una caja que había sido enviada por correo a la escuela varios años antes de ser guardada. Sophie y Dan abren la caja y descubren una cámara muy dañada. Dan consigue recuperar la cinta del interior de la cámara antes de verla con Sophie.

La película muestra a Sophie después de haber visto la cinta, claramente angustiada por su contenido. A continuación, se pone en contacto con un capitán de la base aérea de Luke para una entrevista. Sin embargo, al llegar, el capitán se muestra enfrentado a Sophie mientras Dan espera con la cámara en el coche. Sophie regresa y afirma que el capitán le ha ordenado que "no deje que las imágenes salgan a la luz". Dan le pregunta a Sophie qué hacer a continuación, y ésta le lanza una mirada de determinación. A continuación, la película muestra el contenido de la cinta recuperada, que constituye el resto de la película.

La última película comienza momentos después de que Josh, Ashley y Mark encuentren el cadáver carbonizado. El trío sigue caminando por el desierto y subiendo una colina. Mientras tanto, Ashley y Mark parecen acercarse, para desprecio de Josh. Después de esperar en la cima de una colina durante varias horas, el trío es testigo de una única luz en la distancia. La luz se mantiene durante varios minutos antes de acelerar a lo largo del horizonte. La luz se vuelve progresivamente más brillante y rápida antes de descargar varias luces más pequeñas. Posteriormente, todas las luces se desvanecen. El trío celebra su grabación antes de regresar a pie al vehículo. Al caer la noche, los adolescentes se pierden y se desorientan. Mark se aventura solo a subir una colina para intentar localizar el coche. Cuando se marcha, Ashley y Josh escuchan un fuerte sonido en la distancia que parece acercarse. Una luz brillante aparece entonces detrás de la colina antes de pasar por encima de ellos. Mark regresa, visiblemente angustiado pero aparentemente ileso, afirmando haber encontrado el coche. Mientras regresan, Mark se niega a revelar lo que vio en la cima de la colina. El trío encuentra entonces el coche e intenta volver a casa.

Mientras conducen, la luz aparece detrás del coche y los persigue. Intentan huir antes de que la luz inutilice el coche y desaparezca. Al no poder arreglar el vehículo, el trío camina por la carretera intentando volver a la ciudad. Mientras caminan, Mark comienza a mostrar graves síntomas de una enfermedad desconocida, incluyendo una hemorragia nasal, fiebre y desorientación. Mark afirma entonces que oye voces, antes de salir corriendo hacia el desierto mientras dice ver a su hermano. Mientras Ashley y Josh corren tras él, la luz vuelve y Mark desaparece sin dejar rastro. Ashley entra en pánico, mientras Josh la consuela. Los dos notan entonces la luz de una casa en la distancia y deciden seguirla. En el camino, los dos descubren más cadáveres de animales carbonizados. Además, Ashley también comienza a mostrar síntomas similares a los de Mark, incluyendo la caída de su cabello.

Continuando, Ashley comienza a escuchar un sonido desconocido. Entonces dice ver a su padre en la distancia antes de salir corriendo con Josh siguiéndola. Mientras corren, la luz vuelve, provocando rayos y fuertes vientos a su alrededor. Josh capta entonces la fuente de la luz, que se revela como una nave alienígena que aparece como varios anillos concéntricos y giratorios. Josh entonces es testigo de cómo Ashley es levantada del suelo antes de ser abducida en un destello de luz. La cinta muestra a Josh llegando a la casa desierta, todavía perseguido por la nave alienígena. Intenta esconderse dentro de la casa. Mientras tanto, la nave hace explotar varios aparatos y provoca una distorsión gravitatoria. Josh comienza a gritar cuando la nave retira el techo de la casa, y luego también lo levanta rápidamente del suelo en un instante antes de que la cámara se corte. La cinta se reanuda mientras la cámara capta una breve visión del espacio, antes de volver a caer a la Tierra. La cámara aterriza, grabando la puesta de sol durante varios minutos antes de morir mientras se suceden los créditos. Los subtítulos finales indican que el gobierno niega cualquier conexión entre las Luces de Fénix y la desaparición del trío.