Le révérend Cotton Marcus (Patrick Fabian) vit à Baton Rouge, en Louisiane, avec sa femme (Shanna Forrestall) et son fils (Justin Shafer). Marcus est habitué à exécuter des exorcismes sur des individus «possédés», mais sa foi s'est affaiblie après avoir vu un enfant autiste tué lors d'un exorcisme, lui rappelant son propre fils handicapé. Il réalise qu'il attribue la guérison de son fils à la science et non à Jésus-Christ. Il accepte de participer à un documentaire destiné à dénoncer l'exorcisme comme une fraude, travaillant avec une équipe de tournage composée de la productrice / réalisatrice Iris Reisen (Iris Bahr) et du caméraman Daniel Moskowitz (Adam Grimes). Au hasard, il choisit une lettre de plaidoyer d'un individu en quête d'exorcisme le conduisant à la ferme de Louis Sweetzer (Louis Herthum), un homme qui prétend avoir une fille possédée nommée Nell (Ashley Bell). Avant l'exorcisme, Marcus plante des haut-parleurs cachés et des accessoires électroniques afin qu'il puisse faire croire à la famille qu'il chasse un démon. Après le rituel, Marcus et son équipe de tournage partent en croyant qu'ils l'ont guérie d'un état mental qui a été diagnostiqué par Marcus comme une possession par un puissant démon Abalam.
Cette nuit-là, Nell apparaît mystérieusement dans la chambre d'hôtel de Marcus. L'équipe tente de contacter Louis pour obtenir la permission de la filmer, en vain. Souhaitant prouver son point de vue, Marcus admet Nell à l'hôpital pour des tests, dans l'espoir de recevoir un diagnostic médical ou psychologique prouvant que la possession démoniaque n'est pas la cause de sa maladie. Le médecin conclut que Nell est en parfaite condition physique. Dans la matinée, son père la ramène chez elle et l'enchaîne dans sa chambre pour avoir agressé au couteau son frère Caleb (Caleb Landry Jones) au visage. Pendant que Louis emmène Caleb à l'hôpital, Marcus et l'équipe de tournage enquêtent plus avant sur Nell et la maison. Ils trouvent Nell et la libèrent. Cette nuit-là, il y a des troubles dans la maison, et Marcus et l'équipage entendent les cris d'un bébé. Ils trouvent Nell debout dans un couloir. Alors qu'ils essaient de la confronter, elle se dirige vers une salle de bain, où elle est retrouvée en train de submerger une poupée dans l'eau. Après qu'elle soit sortie de sa transe, l'équipage trouve un dessin d'un chat mort et ensanglanté.
Cette nuit-là, alors que Marcus et l'équipage sont endormis, Nell vole leur caméra et entre dans sa chambre, plaçant la caméra sur une commode alors qu'elle tire et déforme son visage. Nell entre dans la grange de son père où elle coince un chat et le bat à mort avec la caméra. Elle retourne à la maison et lève la caméra au-dessus de la tête de Marcus, apparemment pour le battre à mort avec. Le reste de l'équipage l'arrête, ignorant ce qui s'est passé. Ils découvrent deux autres peintures de Nell. Le premier représente quelqu'un qui semble être Cotton debout devant une grande flamme, tenant un crucifix. La seconde montre ce qui semble être les cadavres des trois visiteurs de la ferme Sweetzer: Marcus est consumé par la flamme qui lui a été montrée en train de se battre dans l'autre image, Iris est taillée en pièces avec une hache et Dan est décapité.
Louis rentre à la maison et écoute un message du répondeur de l'hôpital indiquant que Nell est enceinte. Marcus pense que Louis aurait pu commettre l'acte d'inceste, ce qu'il nie, insistant sur le fait que Nell est vierge et a été souillée par le démon qui la possède. Les esprits s'enflamment alors que Marcus insiste sur le fait que Nell a besoin d'une psychothérapie au lieu d'un autre exorcisme. Louis ordonne à l'équipage de quitter sa propriété. Tout en se demandant s'ils devraient prendre Nell, des bruits se font entendre à l'étage. Ils découvrent que Nell est montée sur sa commode. Alors qu'ils essaient de la calmer, elle coupe la main de Marcus avec un couteau et court dehors. L'équipage décide de partir; en entrant dans leur fourgonnette, ils voient Nell assise sur son porche. En s'approchant d'elle, Nell s'attaque à Marcus, tentant de lui faire du mal. La lutte mène à l'intérieur alors que Louis les poursuit avec un fusil de chasse.
Ils se rendent dans la grange où Nell a tué le chat. Le démon reprend Nell, la faisant se pencher en arrière et lui casser deux doigts. Elle dit à l'équipage que Nell est "dans le feu", et que Louis la rejoindra bientôt. "Nell" demande à Marcus de la laisser lui "pratiquer une pipe". Marcus informe que ce n'est pas le terme correct pour une telle chose et pense donc que Nell n'est pas possédée. En confrontant Nell à cela, elle s'effondre et admet avoir eu des relations sexuelles avec un garçon nommé Logan et avoir commis ses actes violents par honte de sa grossesse.
Sur le chemin du retour, Marcus et l'équipe de tournage font un détour par le café où travaille Logan. Logan dit à l'équipage que le seul contact qu'il a eu avec Nell a été une brève conversation il y a six mois; il insinue qu'il est gay et, par conséquent, n'aurait jamais eu de relations sexuelles avec elle. Marcus et l'équipe de tournage se demandent pourquoi Nell mentirait, et Marcus se rend compte immédiatement que l'une des choses que le diable est connue est "Le prince des mensonges". L'équipe de tournage le suit alors qu'il retourne à la ferme du Sweetzer. Ils entrent dans la maison pour trouver de nombreux pentagrammes et symboles démoniaques griffonnés sur les murs, mais Nell et sa famille sont portées disparues. Marcus et l'équipe de tournage se promènent dans les bois où ils voient un grand feu et une congrégation d'occultistes encapuchonnés dirigés par le pasteur Manley (Tony Bentley), l'ancien prêtre protestant des Sweetzer. Le père de Nell est attaché et bâillonné sur un poteau tandis que des personnages encapuchonnés prient autour d'un autel, sur lequel Nell est attachée. Marcus et l'équipe de tournage regardent Nell donner naissance à quelque chose qui n'est pas de la race humaine. Manley le jette dans le feu, ce qui fait croître rapidement le feu tandis que les voix démoniaques deviennent plus fortes. À ce moment, la foi de Marcus est résolue alors qu'il attrape sa croix et se précipite vers le feu dans une tentative frénétique de combattre le mal. Iris et Daniel sont découverts et s'enfuient. Iris est abordée par un membre de la congrégation occulte qui l'assassine avec une hache. Quand Daniel s'arrête pour reprendre son souffle, Caleb surgit de nulle part et le blesse mortellement. La caméra tombe au sol et la scène devient noire.