Pada bulan Oktober 1994, mahasiswa film Heather Donahue, Michael C. Williams dan Joshua Leonard berangkat untuk membuat film dokumenter tentang Blair Witch yang terkenal. Mereka melakukan perjalanan ke Burkittsville, Maryland, yang dulunya kota itu bernama Blair. Mereka mewawancarai orang-orang yang tinggal di daerah setempat tentang legenda Penyihir Blair. Penduduk setempat menceritakan kepada mereka tentang Rustin Parr, seorang pertapa yang menculik tujuh anak pada tahun 1940-an dan membawa mereka ke rumahnya di hutan, di mana ia menyiksa dan membunuh mereka. Parr membawa anak-anak itu ke ruang bawah tanah rumahnya secara berpasangan, memaksa anak pertama untuk menghadap ke sudut dan mendengarkan jeritan teman mereka saat dia membunuh anak kedua. Parr kemudian akan membunuh anak pertama. Akhirnya menyerahkan diri ke polisi, Parr kemudian mengaku gila, mengatakan bahwa roh Elly Kedward, seorang penyihir yang digantung pada abad ke-18, telah menerornya selama beberapa waktu dan berjanji untuk meninggalkannya sendirian jika dia membunuh anak-anak. Ketiga siswa tersebut juga mewawancarai Mary Brown, seorang eksentrik lokal yang memberi tahu mereka bahwa dia pernah bertemu dengan Penyihir Blair saat masih kecil.
Hari kedua, para siswa mulai menjelajahi hutan di Burkittsville utara untuk mencari bukti Blair Witch. Sepanjang jalan, seorang nelayan memperingatkan mereka bahwa hutan itu berhantu, dan mengingat kembali saat dia melihat kabut aneh naik dari air. Para siswa mendaki ke Coffin Rock, di mana lima orang ditemukan dibunuh secara ritual pada abad ke-19, dan kemudian berkemah untuk bermalam. Keesokan harinya mereka bergerak lebih dalam ke dalam hutan, meskipun tidak yakin akan lokasi persisnya di peta. Mereka akhirnya menemukan apa yang tampaknya merupakan kuburan tua dengan tujuh tugu kecil. Mereka mendirikan kemah di dekatnya dan kemudian kembali ke kuburan setelah gelap. Mereka kemudian mendengar suara-suara berderak dalam kegelapan yang tampaknya datang dari segala arah dan menganggap suara-suara itu berasal dari hewan atau penduduk setempat yang mengikuti mereka.
Keesokan harinya mereka mencoba kembali ke mobil mereka, tetapi tidak dapat menemukan jalan; mereka mencoba sampai malam hari, ketika mereka terpaksa mendirikan kemah. Malam itu, mereka mendengar suara-suara berderak lagi, tetapi mereka tidak dapat melihat apa pun. Keesokan paginya mereka menemukan tiga tugu yang dibangun di sekitar tenda mereka pada malam hari. Ketika mereka terus berusaha menemukan jalan keluar dari hutan, Heather menyadari bahwa petanya hilang, dan Mike kemudian mengungkapkan bahwa dia menendangnya ke sungai karena frustrasi pada hari sebelumnya. Josh dan Heather marah pada Mike. Mereka kemudian menyadari bahwa mereka sekarang tersesat tanpa harapan, dan memutuskan untuk hanya "menuju ke selatan". Tak lama kemudian, mereka menemukan banyak sosok tongkat humanoid yang tergantung di pohon. Malam itu, mereka mendengar lebih banyak suara-suara aneh, termasuk suara anak-anak dan suara-suara "morphing" yang aneh. Ketika kekuatan yang tidak diketahui mengguncang tenda, mereka melarikan diri dengan panik dan bersembunyi di hutan sampai pagi hari. Setelah kembali ke tenda mereka, mereka menemukan bahwa barang-barang mereka telah diacak-acak, dan peralatan Josh ditutupi dengan lendir, menyebabkan mereka mempertanyakan mengapa hanya barang-barangnya yang terpengaruh. Seiring berjalannya hari, mereka melewati batang kayu di atas sungai yang identik dengan yang mereka lewati sebelumnya, meskipun telah melakukan perjalanan langsung ke selatan sepanjang hari, dan sekali lagi mendirikan kemah, benar-benar kehilangan semangat karena telah menyia-nyiakan sepanjang hari yang tampaknya berputar-putar, dengan Josh di luar bertugas jaga.
Josh menghilang keesokan paginya. Setelah beberapa saat mencarinya, Mike dan Heather akhirnya memecahkan kemah dan perlahan-lahan melanjutkan perjalanan. Malam itu, mereka mendengar Josh berteriak dalam kegelapan, tetapi tidak dapat menemukannya. Keesokan paginya, Heather menemukan seikat tongkat dan kain di luar tenda mereka. Pemeriksaan kemudian mengungkapkan bahwa itu berisi potongan-potongan kemeja Josh yang berlumuran darah, serta gigi dan rambut, tetapi dia tidak menyebutkan hal ini kepada Mike.
Malam itu, Heather merekam dirinya sendiri meminta maaf kepada rekan produser proyeknya serta keluarganya, dan mulai menangis, akhirnya mengakui nasibnya. Kemudian, mereka kembali mendengar Josh menangis minta tolong, tetapi kali ini mereka mengikutinya dan menemukan sebuah rumah yang ditinggalkan di hutan. Tergantung di bagian depan rumah adalah sosok tongkat manusia yang sama dengan yang mereka lihat di hutan. Mike berlari ke atas, mengikuti suara itu, sementara Heather mencoba mengikuti. Mike kemudian mengklaim bahwa dia mendengar Josh di ruang bawah tanah. Dia mengikuti suara itu dan, setelah apa yang tampaknya menjadi perjuangan, terdiam dan jatuh ke lantai. Heather berlari ke ruang bawah tanah berteriak untuk Mike, tapi dia tidak mendengar Mike. Dia kemudian memasuki ruang bawah tanah mencari kedua pria itu, dan kameranya menangkap sekilas Mike yang menghadap dinding. Heather kemudian berteriak saat dia dan kameranya jatuh ke lantai. Hanya ada keheningan saat rekaman berakhir.
