El padre de Victoria (Megan Charpentier), de tres años, y de Lilly (Isabelle Nélisse), de un año, sufre una crisis nerviosa como parte del colapso financiero. Mata a sus compañeros y a la madre de las niñas antes de huir con ellas. El coche se estrella y la familia encuentra una cabaña en lo profundo del bosque. El padre decide que debe matarlos a todos, pero antes de que pueda disparar a Victoria, una presencia espectral lo envuelve y absorbe su fuerza vital (que es como el fantasma mata a todos los demás en la película). El fantasma se queda mirando a las dos niñas y luego les trae comida. Pasan varios años, y se nos muestra (a través de dibujos de niños) que los niños se crían en la cabaña y se vuelven asilvestrados, aunque se mantienen sanos y felices.

Varios años más tarde, nos encontramos con Lucas (Nikolaj Coster-Waldau), que es un pobre artista. Utiliza la mayor parte de su escaso sueldo para pagar a unos rastreadores aficionados que intentan encontrar a sus sobrinas. Le apoya su novia Annabel (Jessica Chastain), que le quiere a pesar de llevar un estilo de vida desenfrenado. Un día, los rastreadores consiguen encontrar la cabaña y recuperar a las niñas. Las niñas son puestas inicialmente al cuidado de un terapeuta infantil llamado Dr. Dreyfuss (Daniel Kash). El Dr. Dreyfuss informa a Lucas y a Annabel de que las niñas creen haber sido criadas por una entidad llamada "Mamá", aunque él cree que Mamá es simplemente una personalidad dividida de Victoria. Como era mayor cuando llegaron a la cabaña y recuerda a sus padres, Victoria es más capaz de readaptarse a la vida civilizada que Lilly, que sigue obsesionada con Mamá. La acaudalada tía Jean (hermana de su madre) demanda la custodia de las niñas, pero después de que Annabel y Lucas acepten que el Dr. Dreyfuss tenga acceso ilimitado a ellas (se da cuenta de que tratarlas podría llevarle a una gran fama y fortuna), les ayuda a obtener la custodia y traslada a la nueva familia a una casa que posee su organización.

Annabel es comprensiva, pero muy distante con las niñas. Lucas está encantado de tenerlas. Durante una entrevista, Victoria le cuenta al Dr. Dreyfuss la vaga historia de mamá, y él queda intrigado. El Dr. Dreyfuss investiga más a fondo y acaba descubriendo que la historia de Victoria coincide con la de una mujer que estuvo en un manicomio en el siglo XIX. Esa mujer tuvo un hijo mientras estaba internada, pero mató a varias de las monjas antes de escapar con su bebé (que iban a dar en adopción). Mamá huyó al bosque, perseguida de cerca por la policía. En lugar de ser capturada, Mamá salta por un acantilado con su hijo. Sin embargo, cuando caen en picado, el niño queda atrapado en una rama colgante (y muere), mientras que mamá cae al río y flota río abajo. La policía recupera el cuerpo del bebé, coloca los restos en una caja y la guarda en un archivo. El Dr. Dreyfuss recupera la caja, pero no informa a Lucas ni a Annabel de la historia.

Mientras tanto, ocurren cosas espeluznantes en la casa. Una noche, Lucas ve las mariposas de mamá y se asusta cuando la ve salir de una pared. Lucas se cae por las escaleras y entra en coma, dejando a Annabel como única proveedora. Al principio, la relación se mantiene fría, pero las niñas y Annabel empiezan a establecer vínculos hasta el punto de decirse que se quieren. Durante una sesión, el Dr. Dreyfuss enfada tanto a Victoria que mamá sale a defenderla. Victoria también revela que mamá había vagado por el bosque durante años buscando a su bebé, y que finalmente la encontró a ella y a su hermana. Sabiendo que la historia es real, el Dr. Dreyfuss va a la cabaña para seguir explorando, pero es asesinado por mamá. Annabel, preocupada por los moratones que aparecen en las niñas y por su miedo a Mamá, le roba sus notas y la caja con los restos del niño de Mamá. Annabel pronto llega a creer también en la existencia de Mamá. Una mamá ahora celosa ataca a Annabel y la deja inconsciente, posee a la tía Jean y secuestra a las niñas. Cuando Annabel recupera la conciencia, toma los restos del bebé y conduce hasta la cabaña. Allí encuentra a Lucas, a quien su hermano le dijo en un sueño que rescatara a las niñas en la cabaña. También encuentran a la tía Jean, muerta en la cabaña.

Annabel y Lucas ven a las niñas de pie en un acantilado y corren hacia ellas. Mamá emerge y comienza a incitar a las niñas a caminar por el acantilado. Lucas las agarra a las dos y Mamá las ataca. Annabel, sin embargo, saca los restos del bebé y se los da a Mamá. El fantasma parece aplacado y comienza a ascender al cielo, cuando oye que Lilly la llama. Mamá tira a su hijo muerto a un lado y reanuda su asalto, noqueando a Lucas. Mamá intenta noquear también a Annabel, pero ésta se niega a rendirse. Mamá finalmente se da cuenta de que Victoria desea quedarse con Annabel y la abandona, sabiendo que Annabel también ama a Victoria. Aunque Victoria y Annabel le ruegan a Lilly que se quede con ellas, ella se aferra felizmente a Mamá (realmente, la única madre que Lilly ha tenido). Mamá y Lilly caen en picado por el acantilado y se ven envueltas en un capullo mientras caen. Cuando el capullo cae al agua, se rompe y surgen docenas de mariposas. Mientras Annabel y el revivido Lucas abrazan a Victoria, una mariposa se posa en el brazo de ésta. Ella reconoce que el alma de su hermana está dentro de la mariposa y que Lilly y mamá están ahora conectadas para siempre.