ニューヨークのコロンビア大学で教鞭を執る物理学者エリン・ギルバート（クリステン・ウィグ）の元に、幽霊の調査依頼が舞い込む。彼女がかつて幽霊本を出版したことがその理由だったが、大学内で微妙な立場にあるエリンは、ヒギンズ科学大学で幽霊研究に打ち込む幽霊本の共著者で友人のアビー（メリッサ・マッカーシー）を訪ねる。その話に目を輝かせたアビーと、彼女の相棒ジリアン・ホルツマン（ケイト・マッキノン）と共に訪れた現場で、ゴーストに遭遇。だが、その映像をネットで公開したところ、世間を騒がせたという理由で3人とも大学をクビになってしまう。やむなく3人は、頭の悪い青年ケヴィン（クリス・ヘムズワース）を秘書に雇い、中華料理店の 2階をオフィスとして超常現象の調査会社を設立する。最初の依頼者は、地下鉄の女性駅員パティ（レスリー・ジョーンズ）。地下鉄構内でゴーストに追いかけられたと駆け込んで来たのだ。現地でそのゴーストの姿をビデオに収めたものの、ネットに公開した映像は世間から完全にインチキ扱い。ゴーストの存在を証明するには捕獲するしかないと悟った3人は、パティを仲間に加え、ジリアン開発の捕獲装置プロトンビームをバックパック型に改良してチャンスを待つ。そして、再び訪れる出動の時。オジー・オズボーン主宰のロックフェス会場にゴーストが出たというのだ。万全の装備で乗り込んだ4人は、ステージ上でゴーストの捕獲に成功。これが彼女たち“ゴーストバスターズ”最初の大手柄となった。だがその裏で、ニューヨークに危機が迫っていた。一連の幽霊騒ぎは、天変地異によって世界を浄化しようとする黒幕ローワンの仕業だったのだ。果たしてゴーストバスターズたちは、ニューヨークの街を守ることができるのか？人類の未来を懸けたファイナルバトルが、今始まる！