荻野千寻随父母搬家时，只是一个对新生活满怀不安的十岁女孩。车子误入山间隧道后，她和父母来到一座看似荒废的城镇。千寻本能地感到这里不对劲，想离开，却来不及阻止父母吃下神明食物并变成猪。黄昏降临后，街道亮起灯，八百万神明陆续现身，河水隔断回路，她被迫独自留在异界。
白龙救下千寻，告诉她若想活下去，就必须在汤婆婆的油屋得到工作。千寻胆小、笨拙，刚进锅炉房时连煤屑都不知道怎样搬，也会因为恐惧而哭泣。可是她没有退路，只能向锅炉爷爷、小玲和汤婆婆求助。汤婆婆夺走她名字中的“千寻”，只留下“千”。从那一刻起，她不再只是迷路的孩子，而是油屋里最弱小、却必须记住自己真正姓名的新人。
油屋是神明休憩的浴场，也是欲望和规矩交织的地方。千在这里学会劳动：洗大浴池、搬药牌、忍受旁人轻视，也在腐烂神来访时站在污泥里不逃走。她看见那位被误认为腐烂神的客人其实是被垃圾堵塞的河神，便与众人一起拔出自行车、铁器和污物。河神恢复清澈后赠给她苦丸，像是承认这个人类女孩的勇气。
千寻的成长不是突然变强，而是在每一次害怕中仍然选择向前。她保护吞下印章并被纸鸟追杀的白龙，把苦丸塞进龙口，让他吐出钱婆婆的印章和汤婆婆的黑虫。她也没有把无脸男当成怪物消灭，而是在他吞噬油屋欲望后带他离开，前往钱婆婆的小屋。那趟电车旅行安静而漫长，千寻带着坊、鸟和无脸男，像真正承担责任的人一样去道歉、求救、归还。
在异界里，名字是人的根。白龙曾忘记自己是赈早见琥珀主，千寻也险些被“千”这个名字固定在油屋。她记得朋友送别卡上的“荻野千寻”，也记得小时候落入琥珀川时被救的经历。正是这份记忆，让她帮助白龙找回本名，也让自己没有被汤婆婆完全支配。
最终，千寻凭直觉看出猪群里没有自己的父母，解开汤婆婆的赌局。她离开油屋时已经不是车后座上抱怨花束枯萎的孩子。她仍然只有十岁，仍会害怕未知的新学校和新生活，却知道自己能在陌生世界里工作、忍耐、道歉、帮助别人，并把名字带回来。她没有魔法，只有一颗在恐惧中渐渐坚定的心。