El film transcurre en la España de 1944, cinco años después de la finalización de la guerra. El mismo inicia con la historia de una princesa que varios siglos antes vivía en las profundidades de un reino donde el mal, la mentira y el dolor no existían; sin embargo, ella soñaba con el mundo de los humanos y el poder descubrir sus maravillas. Por lo cual, un día la princesa huirá del reino escapando al exterior donde se topó con la brillante luz del sol, la cual, le borró todo tipo de recuerdos de su vida. La princesa olvidó para siempre quién era y de dónde venía, su cuerpo sufrió todo tipo de dolores y luego de varios años, finalmente murió. No obstante, su padre, el rey, sabía que el alma de su hija volvería en otro tiempo, en otro lugar y en un nuevo cuerpo; él la esperaría hasta el fin de los días.

Es de esta manera, como Guillermo del Toro da inicio a una película protagonizada por Ofelia y su débil madre, Carmen (Ariadna Gil) quien se encuentra atravesando un embarazo muy delicado que la pone en riesgo junto a su bebé. Ambas son trasladadas a las montañas fuera de Madrid; allí en un campo fascista, se encuentra con el que será su nuevo esposo y padre del futuro hijo de Carmen, Vidal (Sergi López), un Capitán del ejército de Franco. Él es un hombre en extremo cruel que encuentra placer en la tortura y la muerte de los miembros que aún luchan en la Resistencia Republicana. Vidal y Ofelia no tienen ningún vínculo afectivo. Todo lo contrario: sus personalidades son tan distintas que la niña cuestiona a su madre por el hecho de haberse casado con ese hombre que la destrata y minimiza en su voluntad hasta el hecho de hacer todo lo que él le pide. La zona rural a la que llegan está rodeada por un magno bosque, aquellos frondosos espacios en los que la resistencia se oculta del ejército de Franco.

Otros personajes necesarios para construir esta trama son Mercedes (Maribel Verdú), el ama de llaves de la casa, y el médico del pueblo (Álex Angulo). Ambos coinciden en su afán de ayudar a aquellos que aún resisten al régimen desde las montañas contribuyendo con alimentos, medicamentos y cualquier tipo de socorro que requieran. Mercedes no solo desempeña su rol en la casona rural sino que tolera las perversiones del Capitán sabiendo que, de esa manera, puede conseguir recursos y ayuda para apoyar a su hermano y a los hombres que lo acompañan en la lucha. El médico, un hombre sensible, honesto y leal desafía  sus propios miedos para colaborar con la Resistencia, sin importar el costo que este acto conlleva. 

Ofelia, con sus trece años, va y vuelve de distintas realidades, puede incursionar en el rico laberinto de fantasías de su mente. Es dueña de un mundo protagonizado por hadas y seres mitológicos. La niña encuentra en la lectura un sinfín de puertas para la imaginación, capaces de llevarla a otro plano una y otra vez. La realidad de Ofelia se teje con los hilos dorados de la fantasía. Cada día, lo cotidiano es atravesado por la magia, el encanto,  y el terror. Un espacio que le permite resguardarse de todo tipo de dolor o injusticias, las cuales son inexplicables para ella. 

Al llegar a la villa, la niña se topa con un jardín antiguo y descuidado, un viejo laberinto que la perturba inmediatamente y demuestra estar deseosa por explorarlo. Mercedes la intercepta y la alerta diciéndole que no es un lugar adecuado para ella. ¿Y el laberinto de su mente? Aquel inhóspito lugar en donde entierra lo más reprimido, ese lugar subterráneo al que no llega la luz, ese lugar inconsciente que la protege en los momentos más oscuros. La niña pronto descubre que el insecto que la siguió todo el camino es un hada, y es junto a ella que vivirá una sucesión de hechos maravillosos. El hada la guiará hacia un lugar subterráneo dentro del laberinto; allí se encontrará con un fauno que afirmará que la ha estado esperando toda su vida y que en realidad ella, Ofelia, es la princesa perdida de aquel mundo encantado. Este maravilloso ser le propondrá cumplir con tres pruebas, escabrosas, aterradoras y peligrosas antes de que salga la luna llena, con las que demostrará si es tan valerosa como para regresar a su mágico reino, donde su familia y el pueblo la esperan con ansias.

Ofelia busca cumplir sus pruebas una a una y construir poco a poco, el camino de regreso a su reino; mientras tanto, Vidal se obsesiona con acabar con la resistencia republicana cueste lo que cueste. Su accionar es despiadado y cruel, en él no hay ni un rasgo de bondad ni de respeto por la vida. Sin embargo, la peculiaridad de este personaje se encuentra en su obsesión por el tiempo, un reloj de bolsillo es su fiel compañero. Las agujas del reloj ofician de marca pasos para cada una de sus decisiones. El tiempo es efímero, no espera por nadie ni devuelve lo que fue, es simplemente un conjunto de tic tacs que marcan el ritmo de la propia vida, es un objeto vacío que requiere de sentido para valer por sí mismo. Es junto a Vidal una referencia a su personalidad, un hombre sin sentimientos que solo actúa por propia obediencia y voluntad sin importar el daño que ocasiona su accionar. No busca volver atrás, para él los daños no tienen un significado propio: son simplemente un castigo a la falta de lealtad.    

En el medio, Carmen camina por la fina línea de la vida y la muerte, no solo la suya sino la del fruto de su vientre. Su hijo se encuentra muy débil debido a la salud de su propia madre. La mujer debe descansar y hacer todo el reposo posible para poder recuperarse; por tal motivo, Mercedes acompaña a Ofelia en este tránsito entre la realidad y la fantasía. La niña le demuestra que se preocupa por ella y el cariño entre ambas se sintetiza en una dulce nana, un vínculo que las ayudará a atravesar los momentos de crueldad y horror dentro de la casona rural.