Le personnage principal de l'histoire s'appelle Chihiro, une petite fille de 10 ans capricieuse, têtue, timide et chêtive. Lors d'un déménagement, Chihiro et ses parents se trompent de chemin et se retrouvent dans un autre monde "celui des esprits, des fantômes et des dieux".                                                                          

Les parents de Chihiro sont attirés par une odeur et se retrouvent dans un restaurant désert rempli de nourriture, ils se gavent et se transforment en cochons.Pendant ce temps, Chihiro rencontrent Haku un jeune garçon qui lui dit de fuire ce monde avant la nuit. Mais il est trop tard ! Alors Haku lui dit de chercher du travail pour survivre dans ce monde. C'est Yubaba la sorcière et reine de ce monde cruel, qui lui donne un travail en échange de son prénom : Chihiro s'appelle désormais Sen.

Sen est chargée de nettoyer les bains pour les dieux. Elle sera aidée dans son travail par l'homme sans visage Kaonashi. Le premier client dont Sen doit s'occuper est le dieu de la rivière : le dieux putride et couvert de boue. Sen le lave de sa boue et de ses déchets pour la remercier il lui donne une boule amère. L'homme sans visage voudrait aussi que Sen s'occupe de lui. Pour cela il lui offre des pépites d'or mais elle refuse. Alors il se met à manger le personnel des bains grossit et tombe malade. Sen lui donne un morceau de boule amère et l'homme sans visage vomit tout ce qu'il a dans le ventre.

Pendant ce temps là, Haku, sous les ordres de Youbaba part chez Zéniba (soeur jumelle de Youbaba) pour lui voler son seau sacré. De retour aux bains, Haku transformé en dragon, est poursuivi et blessé par des oiseaux en papier. Zéniba qui a pris l'apparence d'un oiseau en papier réussit à s'introduire dans les bains en même temps que Haku. Elle transforme Bou le fils de sa soeur Youbaba, en souris obése et disparaît. Sen soigne Haku avec le reste de la boule amère, lui fait recracher le seau sacré et un petit ver qu'elle écrase. Sen part chez Zéniba pour lui rendre son seau sacré et demande la guérison d'Haku, Zéniba lui relève que Haku a été libéré de sa servitude quand elle a écrasé le petit ver Haku, de son côté,conclut un marché avec Youbaba : Il lui propose un échange, Bou contre les parents de Sen. Haku part chercher Sen. Sur le chemin du retour Sen se souvient de la vraie identité de Haku qu'elle avait connu dans l'autre monde. Elle lui révèle qu'il s'appelait "Kohaku la rivière".

Arrivés aux bains, Sen et Haku se rendent auprès de Youbaba qui accepte le marché. Sen peut repartir si elle reconnait ses parents parmi plusieurs cochons. Sen évite le piège de Youbaba et se rend compte que ses parents n'en font pas partie.