千尋（柊瑠美）は10歳の女の子。お父さん（内藤剛志）とお母さん（沢口靖子）と引っ越し先に向かう途中で、車は道なき道へと入りこんで行き、怪しげなトンネルに行きついた。嫌がる千尋の言葉に耳を貸さずにトンネルに足を踏み入れたお父さんとお母さんが辿りついたのは、人気のない街。店先に並ぶ美味しそうな食事を迷うことなく食べ始めた両親を尻目に、街の奥へと足を進めた千尋の前に、美しい少年・ハク（入野自由）が現れる。ハクからすぐにこの場を立ち去るよう言われた千尋は、わけもわからないまま両親の元へ向かうが…。両親は豚に姿を変えられてしまい、千尋たちが歩いてきたトンネルに続く道もいつの間にか水で閉ざされ、千尋は元の世界に戻れなくなってしまった。
助けに来たハクに導かれて、街のどん詰まりにそびえる湯屋「油屋」に入りこんだ千尋。日本中から神々が休養のために訪れる「油屋」では、働く意思のない者はすぐに動物かそれ以下のモノにされてしまう…。両親を救いだして元の世界に戻るためには「油屋」で仕事を得るしかないとハクから聞かされた千尋は、薬湯を調合している釜爺（菅原文太）のもとへ。最初は千尋を追い出そうとする釜爺だったが、一緒に働いているススワタリたちが妙に千尋に懐いている様子を見て、降参。面倒見の良い少女・リン（玉井夕海）に、強力な魔力で「油屋」を取り仕切る女主人・湯婆婆（夏木マリ）のもとへ千尋を連れていくよう命じる。
「油屋」を訪れていた神様・おしらさまの助けもあって、無事に湯婆婆の部屋に入ることができた千尋。待ち受けていた湯婆婆は、千尋を「油屋」で働かせる代わりに彼女の名前を取り上げてしまった。新たに「千」という名前を与えられた千尋は、リンと共に働くことを許される。
自分を見失わないために元の名前を決して忘れないこと、というハクの教えを胸に、基本的な礼儀作法から湯屋での仕事のひとつひとつを身体で覚えていく千尋。そんな千尋に惹かれて、「カオナシ」という謎の存在が「油屋」の周辺をうろつき始めていた。湯婆婆は瞬時に異物の侵入に気付くが、そんな中、驚異的な異臭を放つ神様が「油屋」に来店。初めてお客様を担当することになった千尋は、神様が身体に吸収してしまった膨大な汚れをすべて洗い流すことに成功し、湯婆婆からも「油屋」の一員として認められるようになった。
一方、その騒動に紛れてまんまと「油屋」に入りこんだ「カオナシ」は、千尋を振り向かせようとあの手この手を尽くしていた。しかし千尋が自分の思い通りにならないと知った「カオナシ」は大暴走。砂金を餌に「油屋」で働く者たちを虜にし、すべてを食らいつくして巨大化してゆく。同じ頃、湯婆婆の元に弟子入りして彼女のために暗躍していたハクが、瀕死の重傷を負って「油屋」に戻ってきた。彼は湯婆婆の双子の姉・銭婆（夏木マリ）の大切な印鑑を盗んだために、死の呪いをかけられてしまったのだ。しかもハクを追って式神となって「油屋」に現れた銭婆は、湯婆婆の大切な息子である坊（神木隆之介）と分身の湯バード、見張りの頭たちの姿も魔法で変えてしまう。彼らを助けるためには、銭婆に印鑑を返して謝るしかない。坊たちを引き連れた千尋は、ついでにすべてを吐き出して元の姿に戻った「カオナシ」も連れて、銭婆の家へと向かう列車に乗り込んだ…。
釜爺からもらった切符は行きの列車で使い果たしてしまい、元の世界はおろか、「油屋」にさえも無事に戻れるかどうかわからない旅。人生で初めて、自分の意思で先の見えない冒険に足を踏み入れた千尋を待ち受けている結末とは？ 彼女はハクを救い、両親とともに元の世界に戻ることができるのだろうか？