Em outubro de 1994, os estudantes de cinema Heather Donahue, Michael C. Williams e Joshua Leonard se propuseram a fazer um documentário sobre a lendária Blair Witch. Eles viajam para Burkittsville, Maryland, que a cidade costumava ser chamada de Blair. Eles entrevistam pessoas que vivem na área local sobre a lenda de Blair Witch. A população local lhes fala de Rustin Parr, um eremita que raptou sete crianças nos anos 40 e as trouxe para sua casa na floresta, onde as torturou e matou. Parr trouxe as crianças ao porão de sua casa aos pares, forçando a primeira criança a enfrentar o canto e ouvir os gritos de seu companheiro enquanto assassinava a segunda criança. Parr assassinaria então a primeira criança. Eventualmente entregando-se à polícia, Parr alegou mais tarde insanidade, dizendo que o espírito de Elly Kedward, uma bruxa enforcada no século 18, o aterrorizava há algum tempo e prometeu deixá-lo em paz se ele assassinasse as crianças. Os três estudantes também entrevistam Mary Brown, uma excêntrica local que lhes diz ter encontrado a bruxa Blair quando criança.
No segundo dia, os estudantes começam a explorar a floresta no norte de Burkittsville para procurar evidências da Bruxa Blair. No caminho, um pescador os avisa que o bosque está assombrado e lembra um tempo em que ele havia visto uma estranha névoa emergindo da água. Os estudantes caminham para Coffin Rock, onde cinco homens foram encontrados ritualisticamente assassinados no século 19, e depois acampam para passar a noite. No dia seguinte, eles se aprofundam no bosque, apesar de não terem certeza de sua localização exata no mapa. Eles eventualmente localizam o que parece ser um antigo cemitério com sete pequenos cairns. Eles montam acampamento nas proximidades e depois retornam ao cemitério depois de escurecer. Mais tarde eles ouvem sons crepitantes na escuridão que parecem vir de todas as direções e assumem que os ruídos são de animais ou habitantes locais que os seguem.
No mesmo dia seguinte, eles tentam voltar ao carro, mas não conseguem encontrar o caminho; tentam até que seja noite, quando são forçados a acampar. Naquela noite, eles ouvem ruídos crepitantes novamente, mas não conseguem ver nada. Na manhã seguinte, eles acham três cairns que foram construídos ao redor de sua barraca durante a noite. Enquanto eles continuam tentando encontrar a saída da floresta, Heather percebe que seu mapa está faltando, e Mike revela mais tarde que o chutou para dentro de um riacho por frustração no dia anterior. Josh e Heather ficam furiosos com Mike. Percebem então que agora estão irremediavelmente perdidos, e decidem simplesmente "ir para o sul". Logo, eles descobrem uma multidão de figuras de pau humanóides suspensos das árvores. Naquela noite, eles ouvem ruídos mais estranhos, incluindo os sons de crianças e sons bizarros de "morphing". Quando uma força desconhecida sacode a tenda, eles fogem em pânico e se escondem na floresta até que seja de manhã. Ao voltar à tenda, eles descobrem que seus pertences foram revirados, e o equipamento de Josh está coberto de baba, fazendo com que eles questionem por que apenas seus pertences foram afetados. Com o passar do dia, eles passam um tronco sobre um riacho que era idêntico ao que haviam passado antes, apesar de terem viajado diretamente para o sul o dia todo, e novamente acamparam, completamente desmoralizados por terem desperdiçado o dia inteiro, aparentemente andando em círculos, com Josh lá fora em serviço de guarda.
Josh desaparece na manhã seguinte. Depois de algum tempo encontrando-o, Mike e Heather acabam por quebrar o acampamento e avançam lentamente. Nessa noite, eles ouvem Josh gritar na escuridão, mas não são capazes de encontrá-lo. Na manhã seguinte, Heather encontra um feixe de paus e tecido fora de sua tenda. Uma inspeção posterior revela que ele contém restos de sangue da camisa de Josh, bem como dentes e cabelos, mas ela não menciona isto a Mike.
Naquela noite, Heather registra-se pedindo desculpas aos co-produtores de seu projeto, bem como a sua família, e começa a chorar, finalmente admitindo seu destino. Mais tarde, eles ouvem novamente Josh chorar por ajuda, mas desta vez eles os seguem e descobrem uma casa abandonada no bosque. Pendurado na frente da casa está a mesma figura de pau humano que eles viram no bosque. Mike corre lá para cima, seguindo a voz, enquanto Heather tenta segui-los. Mike então afirma que ouve Josh no porão. Ele segue o som e, depois do que parece ser uma luta, cala-se e cai no chão. Heather corre para o porão gritando por Mike, mas ela não ouve Mike. Ela então entra no porão procurando por ambos os homens, e sua câmera capta um vislumbre do Mike de frente para a parede. Heather então grita enquanto ela e sua câmera caem no chão. Só há silêncio quando as filmagens terminam.
