10歳の少女 千尋は、両親と共に引越し先へと向う途中、森の中の奇妙なトンネルの先に広がる無人の街に迷い込む。しかし、そこは怪物のような姿の八百万の神々が住む、人間が来てはいけない世界だった。食べ物屋で無断で食事をした千尋の両親は豚にされてしまい、帰り道を失った彼女自身も消えそうになるが、千尋はこの世界に住む少年ハクに助けられる。
ハクは八百万の神々が客として集う「油屋」という名の温泉宿で働いており、その宿の主人は、相手の名を奪って支配する、恐ろしい魔女の湯婆婆(ゆばーば)。この世界で仕事を持たない者は、湯婆婆によって動物にされてしまうと教えられた千尋は、湯婆婆に仕事をもらえるように頼み込む。千尋は、名を奪われて「千(せん)」と新たに名付けられ、油屋で働くことになる。ハクは千尋に、本当の名を忘れると元の世界に帰れなくなると忠告する。ハクもまた名を奪われ、自分が何者であったのかを思い出せずにいたが、彼はなぜか千尋を知っており、そのことは覚えているのだという。しかし千尋には、ハクの正体に心当たりがない。
豚にされた両親を助けるため、油屋で働き始めた千尋だったが、彼女は人間であるために油屋の者たちから疎まられ、強烈な異臭を放つ客の相手まで押し付けられる。しかし彼女の実直な働きにより、その客から大量の砂金が店にもたらされると、千尋は皆から一目置かれる存在になる。千尋はその客から不思議な団子を受け取る。
翌日、ハクは湯婆婆の言いつけにより、彼女が対立している双子の姉の銭婆(ぜにーば)から、大切な魔女の契約印を盗みだす。しかしハクを追ってきた銭婆は魔法でハクに重傷を負わせ、湯婆婆の息子である坊(ぼう)もネズミに変えてしまう。千尋はハクに不思議な団子を飲ませて助けるが、ハクは死んでいるかのように弱っている。千尋はハクを助けたい一心で、危険も顧みずに銭婆のところへ行き、契約印を返却してハクを助けてくれるようにお願いすることを決意する。
そのころ油屋では、カオナシという化け物が従業員を飲み込んで暴れていた。千尋から親切にされたことがあるカオナシは、金や食べ物で千尋の気を引こうとするが、彼女が興味を示さないので激怒する。千尋は不思議な団子をカオナシにも飲ませて従業員を吐き出させたことにより、千尋は従業員に感謝されるまでになる。千尋が改心したカオナシとネズミになった坊を伴って銭婆の家を訪れると、銭婆は彼女を穏やかに受け入れる。
一方、意識を取り戻したハクは、湯婆婆に坊が銭婆の所へ行ってしまったことを伝える。坊を連れ戻してくることを条件に、千尋と両親を解放するよう約束を迫った彼は、帰る手段のなかった千尋を迎えに行く。千尋は銭婆から許されたハクと共に油屋へ帰るが、その途中で彼女が幼い頃に落ちた"川"がハクの正体であることに気づく。幼い千尋は溺れそうになったところを、川のハクによって浅瀬に運ばれ、助けられていたのだ。それによりハクは自分の名前を取り戻す。
油屋に帰ったハクは、千尋と両親を解放する約束を果たすよう湯婆婆に要求し、千尋に助けられた従業員たちもそれを望む。湯婆婆が油屋の前に集めた豚の中から両親を言い当てれば千尋を自由にしてやると言うと、千尋は正解を言い当てて自由となり、油屋の者たちに祝福されながら油屋を去る。
ハクは途中まで千尋を見送り、自分も湯婆婆に暇を告げて元の世界に戻るつもりであることを伝え、再会を約束して分かれる。人間に戻った両親は最初に通ってきたトンネルの前で、何ごとも無かったかのような様子で待っていた。もとの世界に戻った千尋が振り返ると、トンネルは入ったときとは別な姿に変わっていた。
Маленькая Тихиро вместе с мамой и папой переезжают в новый дом. Заблудившись по дороге, они оказываются в странном пустынном городе, где их ждет великолепный пир. Родители с жадностью набрасываются на еду и к ужасу девочки превращаются в свиней, став пленниками злой колдуньи Юбабы, властительницы таинственного мира древних богов и могущественных духов. Теперь, оказавшись одна среди магических существ и загадочных видений, отважная Тихиро должна придумать, как избавить своих родителей от чар коварной старухи и спастись из пугающего царства призраков...