某一天，年仅10岁的荻野千寻跟着父母坐在车上，准备一同前往要搬入的新家。在路途当中，千寻的父亲因开错方向，来到一条有着隧道入口的小径。千寻的父母在一时好奇心下，带着她前往隧道里头一探究竟。
通过隧道的千寻一行人，见到眼前另一端是个看不到任何人的小镇。当千寻的父母来到小镇里，发现到有间摆满食物的无人餐馆，便于未经允许的情况下随意享用了里头的餐点。
千寻不想跟父母一同乱拿食物，于是索性在小镇里四处闲晃，途中在一座桥对面看到一栋像是旅店的建筑。该建筑实际上是由一位名为“汤婆婆”的魔女所经营，提供各方神明泡澡歇憩，名叫“油屋”的澡堂。
当千寻走到桥上时，遇到一位名叫“白龙”的神秘少年，向她警告这里不是她应该进入的地方，就在此时城镇里各处突然冒出像是鬼魅般的形体。被眼前情况受到惊吓的千寻，跑向父母所待的餐馆要他们赶紧一同离开，但汤婆婆对千寻父母随意享用食物的行为感到愤怒，施法将两人变成了猪作为惩罚。
千寻发现父母变成猪而再度受到惊吓，开始漫无目的地乱跑。就在千寻不知该如何是好时，之前桥上的白龙出现在她面前，表示着他愿意协助千寻渡过危机。白龙暗中将千寻带到油屋，并向她解释若要在这个世界存活下来，唯一方法是要向汤婆婆获得在油屋工作的资格。之后千寻面临必须在油屋里接触不同形形色色人物、以及各种困难和危机，而她原先娇纵的心理也随着历程开始展开了不同变化。为了帮助白龙，她独自到钱婆婆那里拿回魔女印章，并在白龙接她回去的路上想起来自己的名字找到了回现实世界的方法。