In oktober 1994 gingen filmstudenten Heather Donahue, Michael C. Williams en Joshua Leonard op pad om een documentaire te maken over de legendarische Blair Witch. Ze reizen naar Burkittsville, Maryland, waar de stad vroeger Blair heette. Ze interviewen mensen uit de omgeving over de legende van de Blair Witch. De lokale bevolking vertelt hen over Rustin Parr, een kluizenaar die in de jaren veertig van de vorige eeuw zeven kinderen ontvoerde en naar zijn huis in het bos bracht, waar hij ze martelde en doodde. Parr bracht de kinderen met z'n tweeën naar de kelder van zijn huis en dwong het eerste kind de hoek om te kijken en te luisteren naar het geschreeuw van hun metgezel toen hij het tweede kind vermoordde. Parr zou dan het eerste kind vermoorden. Uiteindelijk gaf Parr zichzelf aan bij de politie en pleitte later voor krankzinnigheid. Hij zei dat de geest van Elly Kedward, een heks die in de 18e eeuw was opgehangen, hem enige tijd had geterroriseerd en beloofde hem met rust te laten als hij de kinderen zou vermoorden. De drie studenten interviewen ook Mary Brown, een plaatselijke excentriekeling die hen vertelt dat ze als kind de Blair Witch had ontmoet.
De tweede dag beginnen de studenten het bos in het noorden van Burkittsville te verkennen om op zoek te gaan naar bewijs van de Blair Witch. Onderweg waarschuwt een visser hen dat het bos spookt en herinnert zich een tijd dat hij vreemde mist uit het water had zien opstijgen. De studenten wandelen naar Coffin Rock, waar vijf mannen in de 19e eeuw ritueel vermoord werden gevonden, en kamperen dan voor de nacht. De volgende dag trekken ze dieper het bos in, ondanks dat ze niet zeker zijn van hun exacte locatie op de kaart. Uiteindelijk lokaliseren ze wat een oude begraafplaats lijkt te zijn met zeven kleine steenhopen. Ze slaan het kamp op in de buurt en keren dan in het donker terug naar de begraafplaats. Later horen ze in het donker knetterende geluiden die uit alle richtingen lijken te komen en gaan ze ervan uit dat de geluiden afkomstig zijn van dieren of de lokale bevolking die hen volgen.
Diezelfde dag nog proberen ze terug te keren naar hun auto, maar ze kunnen de weg niet vinden; ze proberen het tot in de nacht te doen, wanneer ze gedwongen worden het kamp op te slaan. Die nacht horen ze weer knetterende geluiden, maar ze kunnen niets zien. De volgende ochtend vinden ze dat er drie cairns om hun tent zijn gebouwd tijdens de nacht. Als ze blijven proberen om hun weg te vinden uit het bos, Heather beseft dat haar kaart ontbreekt, en Mike later onthult dat hij schopte het in een kreek uit frustratie de vorige dag. Josh en Heather worden boos op Mike. Ze realiseren zich dan dat ze nu hopeloos verloren zijn, en besluiten om gewoon "naar het zuiden" te gaan. Al snel ontdekken ze een veelheid aan mensachtige stokfiguren die aan bomen hangen. Die nacht horen ze nog meer vreemde geluiden, waaronder de geluiden van kinderen en bizarre "morphing" geluiden. Als een onbekende kracht de tent schudt, vluchten ze in paniek en verstoppen ze zich in het bos tot het ochtend is. Bij terugkomst in hun tent merken ze dat hun bezittingen zijn doorgeschoten en Josh's uitrusting is bedekt met slijm, waardoor ze zich afvragen waarom alleen zijn bezittingen zijn aangetast. Terwijl de dag vordert, passeren ze een boomstam over een beek die identiek was aan de beek die ze eerder hadden gepasseerd, ondanks dat ze de hele dag direct naar het zuiden waren gereisd, en slaan ze opnieuw hun kamp op, volledig gedemoraliseerd omdat ze de hele dag hebben verspild aan het schijnbaar in cirkels gaan, met Josh buiten op wachtdienst.
Josh verdwijnt de volgende ochtend. Na een tijdje hem te hebben gevonden, breken Mike en Heather uiteindelijk het kamp en gaan langzaam verder. Die nacht horen ze Josh schreeuwen in de duisternis, maar ze kunnen hem niet vinden. De volgende ochtend vindt Heather een bundel stokken en stof buiten hun tent. Later blijkt dat er bloeddoordrenkte restjes van Josh's hemd in zitten, evenals tanden en haar, maar dat zegt ze niet tegen Mike.
Die avond neemt Heather zelf op om zich te verontschuldigen bij de coproducenten van haar project en haar familie, en begint ze te huilen, om uiteindelijk haar lot toe te geven. Later horen ze Josh weer om hulp schreeuwen, maar deze keer volgen ze hen en ontdekken ze een verlaten huis in het bos. Aan de voorkant van het huis hangt dezelfde menselijke stokfiguur die ze in het bos hebben gezien. Mike rent naar boven, de stem volgend, terwijl Heather probeert te volgen. Mike beweert dan dat hij Josh in de kelder hoort. Hij volgt het geluid en gaat, na wat een worsteling lijkt, zwijgen en valt op de grond. Heather rent naar beneden naar de kelder en schreeuwt om Mike, maar ze hoort Mike niet. Ze gaat dan de kelder in op zoek naar beide mannen, en haar camera vangt een glimp op van Mike die naar de muur kijkt. Heather schreeuwt dan als zij en haar camera op de vloer vallen. Er is alleen stilte als de beelden eindigen.
