1921年、第一次世界大戦後のイギリス。家族と死別した多くの人々が“降霊”に救いを求めている中、婚約者の死を忘れることが出来ないフローレンス・キャスカート(レベッカ・ホール)は、超常現象に懐疑的で、系統的かつ理論的に超自然現象を反証することに没頭していた。ある日、フローレンスのもとに地方にある寄宿学校ルークウッドから、たびたび目撃される少年の幽霊を調査して欲しいという依頼が舞い込んでくる。フローレンスはこの依頼を引き受け、ルークウッドに到着するとすぐに罠を仕掛けて科学的証拠集めに取り掛かる。やがて次第に謎は解け、幽霊騒ぎは単なる男子生徒のいたずらであることがわかる。だが、フローレンスが学校を去ろうとしたその時、理屈では到底説明できない身も凍るような出来事に遭遇。そのことをきっかけに、教師のロバート・マロリー(ドミニク・ウェスト)はフローレンスを気にかけるようになる。この出来事に怯え、混乱するフローレンスだったが、クリスマス休暇で生徒たちが帰省してしまった学校に残り、徹底的に調査することを決意する。フローレンスとともに学校に残ったのは、フローレンスへ依頼するきっかけをつくった寮母のモード(イメルダ・スタウントン)、両親が忙しく帰省できなかった少年トム(アイザック・ヘンプステッド・ライト)、そしてマロリーの3人。マロリーは第一次世界大戦で出兵し、戦時中の記憶に悩まされていた。それから数日間、ぼんやりと見える子供の霊に悩まされるフローレンス。次々に起こる奇妙な出来事に論理的な説明を見つけられない彼女は、自らの信念に疑いを持ち始める。そんな中、ともに孤独を抱えるフローレンスとマロリーは、絆を深めるにつれ互いに魅かれ合っていくが、やがて、それぞれの心の中の闇と対峙することになる……。