Nell'ottobre del 1994, gli studenti di cinema Heather Donahue, Michael C. Williams e Joshua Leonard si sono messi in viaggio per realizzare un documentario sulla leggendaria Blair Witch. Si recano a Burkittsville, nel Maryland, che la città si chiamava Blair. Intervistano le persone che vivono nella zona sulla leggenda della Strega di Blair. La gente del posto racconta loro di Rustin Parr, un eremita che rapì sette bambini negli anni Quaranta e li portò nella sua casa nel bosco, dove li torturò e li uccise. Parr portò i bambini nel seminterrato di casa sua a coppie, costringendo il primo bambino ad affrontare l'angolo e ad ascoltare le urla del loro compagno mentre uccideva il secondo bambino. Parr avrebbe poi ucciso il primo bambino. Alla fine si consegnò alla polizia, Parr si dichiarò poi pazzo, dicendo che lo spirito di Elly Kedward, una strega impiccata nel XVIII secolo, lo aveva terrorizzato per qualche tempo e promise di lasciarlo in pace se avesse ucciso i bambini. I tre studenti intervistano anche Mary Brown, un'eccentrica locale che racconta loro di aver incontrato la strega di Blair da bambina.
Il secondo giorno, gli studenti iniziano ad esplorare i boschi a nord di Burkittsville per cercare le prove della strega di Blair. Lungo la strada, un pescatore li avverte che il bosco è infestato e ricorda un tempo in cui aveva visto una strana nebbia che si alzava dall'acqua. Gli studenti fanno un'escursione a Coffin Rock, dove cinque uomini sono stati trovati ritualisticamente assassinati nel XIX secolo, e poi si accampano per la notte. Il giorno dopo si spostano più in profondità nel bosco, nonostante l'incertezza sulla loro esatta posizione sulla mappa. Alla fine localizzano quello che sembra essere un vecchio cimitero con sette piccoli ometti. Si accampano nelle vicinanze e poi tornano al cimitero dopo il tramonto. In seguito sentono dei crepitii nell'oscurità che sembrano provenire da tutte le direzioni e suppongono che i rumori provengano da animali o dalla gente del posto che li segue.
Lo stesso giorno seguente tentano di tornare alla loro auto, ma non riescono a trovare la strada; ci provano fino a quando non è notte, quando sono costretti ad accamparsi. Quella notte, sentono di nuovo rumori crepitii, ma non riescono a vedere nulla. La mattina dopo scoprono che, durante la notte, attorno alla loro tenda sono stati costruiti tre ometti. Mentre continuano a cercare la via d'uscita dal bosco, Heather si rende conto che la sua mappa manca, e Mike rivela più tardi di averla buttata in un torrente per la frustrazione del giorno precedente. Josh e Heather si arrabbiano con Mike. Poi si rendono conto di essere ormai perduti senza speranza, e decidono di "andare verso sud". Presto scoprono una moltitudine di figure stilizzate umanoidi sospese agli alberi. Quella notte, sentono altri strani rumori, tra cui i suoni dei bambini e bizzarri suoni di "morphing". Quando una forza sconosciuta scuote la tenda, fuggono in preda al panico e si nascondono nel bosco fino al mattino. Al ritorno alla loro tenda, scoprono che i loro beni sono stati ripuliti e l'attrezzatura di Josh è coperta di melma, il che li porta a chiedersi perché sono stati colpiti solo i suoi effetti personali. Con l'avanzare della giornata, passano un tronco su un ruscello identico a quello che avevano passato prima, nonostante avessero viaggiato direttamente verso sud per tutto il giorno, e si accampano di nuovo, completamente demoralizzati per aver sprecato l'intera giornata a girare in tondo, con Josh fuori a fare la guardia.
Josh scompare la mattina dopo. Dopo un po' di tempo per trovarlo, Mike e Heather alla fine abbandonano il campo e vanno avanti lentamente. Quella notte sentono Josh urlare nel buio, ma non riescono a trovarlo. La mattina dopo, Heather trova un fascio di bastoni e di stoffa fuori dalla loro tenda. L'ispezione successiva rivela che contiene frammenti della camicia di Josh imbevuta di sangue, così come denti e capelli, ma non ne parla con Mike.
Quella sera, Heather si registra mentre si scusa con i co-produttori del suo progetto e con la sua famiglia, e comincia a piangere, ammettendo finalmente il suo destino. Più tardi, sentono di nuovo Josh piangere per chiedere aiuto, ma questa volta li seguono e scoprono una casa abbandonata nel bosco. Appesa sul davanti della casa c'è la stessa figura umana che hanno visto nel bosco. Mike corre di sopra, seguendo la voce, mentre Heather cerca di seguirlo. Mike afferma poi di aver sentito Josh nel seminterrato. Segue il suono e, dopo quella che sembra una lotta, tace e cade a terra. Heather corre giù in cantina urlando per Mike, ma non sente Mike. Entra quindi nel seminterrato alla ricerca di entrambi gli uomini, e la sua macchina fotografica intravede Mike rivolto verso il muro. Heather allora urla mentre lei e la sua macchina fotografica cadono a terra. C'è solo silenzio alla fine del filmato.
