En 1946, el fabricante de muñecas, Samuel Mullins (Anthony LaPaglia), está elaborando un nuevo trabajo: la muñeca que más tarde sería conocida como Annabelle. Mientras trabaja, Samuel recibe una pequeña nota de su hija Annabelle, apodada "Bee", para jugar al escondite. Samuel la encuentra y comienza a hacerle cosquillas, unido con su esposa, Esther (Miranda Otto).
Más tarde, la familia Mullins va a la iglesia. Un señor le pregunta a Samuel cuando estará listo su próximo lote de muñecas, a lo que Esther le responde que ya están terminadas. En el camino a casa, uno de los neumáticos se desinfla. Esther ve venir un auto e intenta detenerlo. Mientras Samuel quita el neumático, un perno se suelta. Annabelle corre a la carretera para recogerlo, pero no ve venir el auto, y muere atropellada brutalmente.
Doce años después
En 1958, la hermana Charlotte (Stephanie Sigman) viaja en una furgoneta con seis niñas huérfanas: Janice, Linda, Carol, Nancy, Kate y Tierney. Janice y Linda son mejores amigas, pero Janice presenta una discapacidad en uno de sus miembros inferiores debido a que sufrió de poliomielitis. La furgoneta llega a la casa de los Mullins, que han aceptado que sea su nuevo hogar. Se revela que Esther sufrió un accidente años antes y Samuel le muestra a Janice una silla salvaescaleras, hecha originalmente para Esther, para que pueda usarla para subir y bajar las escaleras.
Las niñas se dirigen a sus nuevas habitaciones, donde Janice y Linda logran compartir una habitación para ellas solas. Más tarde, Janice intenta entrar en lo que solía ser la habitación de Annabelle, pero Samuel le dice que la habitación debe permanecer cerrada todo el tiempo.
Luego, las niñas salen a explorar alrededor de la zona. Linda se queda para que Janice no se sienta sola, pero ella no quiere ser tratada de manera diferente debido a su condición y deja que Linda salga a jugar con las demás. Mientras está sola, Janice siente una presencia cerca de ella. Una figura reflejada en el espejo camina hacía ella, pero cuando Janice se da la vuelta no hay nada detrás de ella.
Por la noche, Janice despierta y sale de su habitación. La habitación de Annabelle está abierta, y ella entra con cuidado, encontrando la vieja casa de muñecas de Annabelle y algunos de sus juguetes, además de una llave que abre una puerta oculta en la habitación. Janice abre la puerta y encuentra la habitación cubierta con páginas de la Biblia. Sentada, allí está la muñeca que Samuel hizo al inicio de la película. Janice se asusta por la muñeca, así que cierra la puerta, pero ésta se abre nuevamente cada vez que ella la vuelve a cerrar. Janice observa a Samuel desde la ventana y corre de vuelta a su habitación antes de que él la atrape. Durante la cena, las niñas observan brevemente la habitación de Esther. Carol se asoma y observa la silueta de Esther mientras se acerca a Samuel.
Más tarde, Carol y Nancy pasan la noche contando historias de fantasmas sobre Esther, como si ella estuviera muerta y que su espíritu persigue a otros. Ambas escuchan la campana que Esther (Alicia Vela-Bailey) utiliza para llamar a Samuel y comienzan a ponerse nerviosas. Ellas escuchan pasos hasta que todo se silencia. De repente, una mano agarra a Carol y una mujer fantasmal aparece a lado de ambas. Charlotte entra a la habitación cuando escucha a las niñas gritando.
Charlotte se disculpa con Samuel por las molestias que las niñas pueden estar causando. Ella le muestra una fotografía de sí misma con su antiguo convento. Samuel nota a una monja en la fotografía que Charlotte no había visto antes (la misma de El Conjuro 2).
Nuevamente, Janice se despierta mientras todos duermen. Ella abandona su habitación una vez más y Linda la atrapa entrando en la habitación de Annabelle. Linda se va por miedo a meterse en problemas mientras que Janice escucha ruidos y observa una figura en las sombras. Janice observa a Annabelle en su propia habitación y esta le pregunta amablemente:¿Me ayudas?, a lo que Janice responde:¿Qué necesitas?, Annabelle se da la vuelta mostrando una demoníaca cara, diciendo: "¡TU ALMA!". Ella intenta escapar por la silla salvaescaleras, pero la entidad la lanza al aire y la deja caer desde el segundo piso.
Janice es hospitalizada y después de un breve tiempo regresa a la casa en silla de ruedas. Samuel entra en la habitación de Esther para atenderla, el implica que algo que ellos experimentaron en el pasado está volviendo a suceder, aunque Esther piensa que lo que le pasó a Janice fue un accidente.
A la mañana siguiente, Charlotte deja que Janice tome un poco de sol fuera de la casa, mientras las demás niñas juegan. En ese momento la entidad bajo la apariencia de Charlotte, descaradamente encierra a Janice en el cobertizo. Ella intenta escapar pero es atrapada por Annabelle, que regurgita bilis negra por su garganta, poseyéndola con éxito.
Cuando Charlotte logra liberarla del cobertizo, encuentra a Janice completamente tranquila, pero Linda sabe que algo está mal con ella. Linda le confiesa a Samuel que ella y Janice entraron en la habitación de Annabelle, pero él sólo reacciona cuando Linda le menciona la muñeca. Furiosamente, Samuel le ordena que nunca se acerque a la muñeca.
Samuel entra en la casa y encuentra a la muñeca sentada en la mesa del comedor. Al lado de ella hay una nota que dice: "Te encontré". La entidad toma la apariencia de Janice antes de esconderse en las sombras y revelar su verdadera forma a Samuel. Él sostiene una cruz sobre la entidad, sólo para que ésta le rompa los dedos y demás huesos del cuerpo, matándolo. Charlotte entra en la casa buscando a Samuel y encuentra su cadáver junto a la muñeca. Esa noche, Linda encuentra a la muñeca y corre a un pozo para deshacerse de ella. Charlotte la sigue, mientras Linda arroja la muñeca al pozo. Ella se aleja, pero escucha un ruido procedente del pozo. Linda observa y casi es arrastrada al pozo por el demonio, sólo para ser rescatada por Charlotte. Ella cierra la tapa del pozo a la vez que algo intenta escapar, y las dos corren nuevamente a la casa para buscar a Janice, encontrando nuevamente a la muñeca.
Charlotte se dirige a la habitación de Esther y le pregunta acerca de la muñeca. Esther se aterroriza al verla, pero le dice la verdad a Charlotte. Después de que Annabelle murió, ella y Samuel estaban desesperados y habían esperado una manera de comunicarse con su hija. Ellos fueron contestados por un espíritu que decía ser Annabelle y les preguntó si podía quedarse en la muñeca. Samuel y Esther aceptaron y se sintieron felices al principio, sabiendo que "Annabelle" estaba de vuelta con ellos, hasta que se dieron cuenta que no era su hija, el día que la entidad atacó a Esther y le arrancó un ojo. Ella se quita su máscara de porcelana y le revela su cara desfigurada a Charlotte. La muñeca fue encerrada en la habitación después de que toda la casa fue bendecida por un sacerdote. Esther deja en claro que la muñeca es malvada.
Charlotte se prepara para abandonar la casa con las niñas, pero no puede encontrar a Janice. Las niñas van en busca de Janice, sólo para ser atacadas por el demonio. Janice aparece y el demonio dentro de ella hace levitar a Charlotte, golpeándola brutalmente contra un espejo. Carol, Nancy, Kate y Tierney escapan de la casa, pero Carol es encerrada en el cobertizo y atacada por un espantapájaros poseído. Carol logra escapar antes de que el espantapájaros la atrape.
Las niñas deciden que no pueden irse sin Esther y van a su habitación para recogerla, sólo para descubrir que el demonio ya la ha asesinado, partiéndola a la mitad y dejando la mitad superior de su cuerpo colgado en la pared. El cadáver de Esther Mullins (Alicia Vela-Bailey) es poseído por el demonio e intenta atacar a las niñas, pero ellas logran escapar.
Una poseída Janice intenta atacar a Linda con un cuchillo hasta que Charlotte corre a la habitación de Annabelle con la muñeca. Janice la encuentra e intenta apuñalarla, pero Charlotte logra encerrarla en el armario junto a la muñeca. Charlotte y Linda escapan de la casa junto a las demás niñas.
A la mañana siguiente, la policía llega a la casa y entra a la habitación de Annabelle. Al abrir el armario, solamente encuentran a la muñeca sentada y un agujero en la pared por donde Janice escapó. Ella no es encontrada en ninguna parte de la casa. Charlotte y las niñas abandonan la casa de los Mullins en la furgoneta, con Linda extrañando a su mejor amiga.
Algún tiempo después, Pete y Sharon Higgins llegan a un orfanato en Santa Mónica. Ellos encuentran a Janice, ahora con el nombre de Annabelle y la adoptan. Incluso, ellos le regalan una muñeca Raggedy Ann (que es similar a la verdadera muñeca Annabelle).
Otros doce años después
En 1970, los Higgins están durmiendo hasta que escuchan un ruido. Pete va a investigar, pero es sorprendido por Annabelle, que ahora forma parte de un culto satánico, y muere cuando ella le corta la garganta. El novio de Annabelle entra en la habitación y asesina a Sharon. En la casa de al lado, Mía y John Form despiertan debido a los ruidos procedentes de la casa de los Higgins, y Mía le pide a John que vaya a investigar, dando lugar a los acontecimientos de Annabelle.
Una escena a mediados de los créditos muestra a la muñeca Annabelle sentada inmóvil dentro del armario. La cámara se centra en su cara e inexplicablemente, ella gira la cabeza mirando a la audiencia antes de que los créditos continúen. En otra escena post-créditos, ambientada en Rumania en 1952, la demoníaca monja de El Conjuro 2, Valak, camina por los iluminados salones con velas del Monasterio de Cârţa, apagando una por una las velas, dando lugar a los acontecimientos de The Nun.
