Al comienzo de la película, aprendemos la historia de la princesa Moanna del inframundo, que se adentra en el mundo de los mortales, donde está condenada a vivir y, finalmente, morir como humana. Sin embargo, en 1944, se le da una nueva vida como una joven mortal, Ofelia, que viaja con su madre embarazada pero enferma, Carmen, para vivir con el nuevo marido de Carmen, un despiadado soldado franquista llamado Vidal.
Ofelia ve un grupo de hadas y sigue a una hasta un laberinto fuera del campamento donde vive Vidal. También conoce al ama de llaves, Mercedes, y al médico, el doctor Ferreiro, que trabajan para Vidal, pero que están ayudando en secreto a los rebeldes guerrilleros que viven en el bosque cercano. En el laberinto, un fauno le dice a Ofelia que es la reencarnación de la princesa Moanna y le entrega un libro con tres tareas que debe completar para ser bienvenida de nuevo al inframundo. La primera tarea es alimentar con piedras a un sapo gigante que vive dentro de un árbol muy viejo, y luego sacar una llave de su vientre. Ella completa esta tarea bastante grotesca y regresa a casa. Cuando el fauno vuelve a visitar a Ofelia, le da un trozo de tiza para la siguiente tarea. También le da una raíz de mandrágora para que la ponga debajo de la cama de su enfermiza madre para ayudarla a sanar.
La siguiente tarea de Ofelia es recuperar una daga de una guarida subterránea donde un monstruo devorador de niños se sienta en una mesa llena de comida. En el proceso de procurarse la daga, Ofelia come accidentalmente algo de comida de la mesa, lo cual está expresamente prohibido, pero aún logra escapar.
Mientras tanto, en el mundo no fantástico, Vidal y sus soldados capturan a algunos rebeldes. En el proceso de mantener cautivos a los rebeldes, Vidal se da cuenta de que el Dr. Ferreiro está ayudando a los rebeldes y lo mata. Carmen y Vidal encuentran la raíz de mandrágora debajo de la cama y la descartan como un juego de niños de fantasía. Cuando Carmen echa la raíz al fuego, da a luz y muere en el proceso.
Cuando el fauno escucha que Ofelia comió de la mesa del monstruo subterráneo, deja de ayudarla, pero finalmente decide darle una segunda oportunidad, diciéndole que escape de la casa de Vidal con su hermano menor. Cuando Ofelia lleva a su hermanito al laberinto, el fauno le dice que derrame la sangre de su hermano, pero ella se niega. Vidal la encuentra y le dispara, y la propia sangre de Ofelia se derrama, lo que es suficiente para abrir el portal y llevarla al lugar que le corresponde en el reino del inframundo. Mientras tanto, Mercedes lamenta la muerte de la joven.