Der Film beginnt mit einer Szene, in der ein dunkelhaariges Mädchen blutend auf einem Steinboden liegt.
1944 – der spanische Bürgerkrieg (1936–1939), der mit dem Sieg der Faschisten unter Franco endete, ist vorbei, während weltweit noch der Zweite Weltkrieg wütet. Der franquistische Hauptmann Vidal befindet sich mit seiner Truppe in den Bergen Nordspaniens. In einer verlassenen Mühle hat er sein Hauptquartier eingerichtet. Von dort aus bekämpft er Partisanen, die von den nahgelegenen Bergen aus Widerstand leisten. Vor kurzem hat er die jetzt hochschwangere Carmen geheiratet, die eine elfjährige Tochter hat, Ofelia. Als die beiden auf dem Weg zum Hauptmann sind, hält ihr Auto an, weil Carmen sich übergeben muss. Etwas abseits der Straße findet Ofelia eine Steinstatue, aus der ein übergroßes Insekt (Gottesanbeterin) krabbelt, nachdem Ofelia einen an der Straße liegenden Stein, der das fehlende rechte Auge der Statue ist, wieder eingesetzt hat. Als Ofelia zurückgerufen wird und das Auto weiterfährt, folgt das Insekt der Wagenkolonne.
Für ihren Stiefvater, der mit äußerster Brutalität gegen die Partisanen vorgeht, ist Ofelia ein Störfaktor, das bemerkt sie unmittelbar bei der ersten Begegnung mit ihm. Neben der Mühle befindet sich ein altes Mauerwerk mit einem großen Tor – Mercedes, eine der Hausangestellten des Hauptmanns, erzählt Ofelia, dies sei ein Labyrinth und stehe schon sehr lange dort, viel länger noch als die Mühle.
In der ersten Nacht, als Ofelia neben ihrer Mutter nicht einschlafen kann, taucht das Insekt wieder auf. Ofelia zeigt ihm ihr Märchenbuch, in dem eine Fee abgebildet ist. Das Insekt sieht auf das Bild und verwandelt sich – unter großer Anstrengung – in eine Fee. Schließlich führt es das Mädchen in das steinerne Labyrinth. In der Mitte angekommen, die einer Lichtung gleicht, geht Ofelia eine Wendeltreppe aus Stein hinab. Am dunklen Grund findet sie nichts als eine weitere Steinskulptur, die einen Pan, ein Mädchen und ein Baby darstellt. Sie begegnet zum ersten Mal dem Pan, der, wie aus einem Winterschlaf erwacht, noch zittrig das kleine Mädchen betrachtet. Erfreut erzählt er Ofelia, dass sie die Wiedergeburt einer Prinzessin sei, die einst aus Neugier ihr unterirdisches Reich verlassen, im Laufe der Zeit menschlich geworden sei und ihre wahre Identität vergessen habe. Noch immer warte der Vater der Prinzessin, der König, auf sie. Ofelia könne den Fluch brechen und der dahinsiechenden magischen Welt zu neuem Leben verhelfen, indem sie dorthin zurückkehre.
Allerdings müsse sie drei Prüfungen bestehen, sagt der Pan, um festzustellen, ob die Seele der Prinzessin nicht schon zu lange bei den Menschen gewesen sei und sie ihre Unsterblichkeit dabei verloren habe. Die Prüfungen müsse Ofelia bis zur nächsten Vollmondnacht bestanden haben – sonst sei sie für immer dazu verdammt, bei den Menschen zu leben, zu altern und irgendwann zu sterben. Er gibt ihr ein Buch mit leeren Seiten, in dem die Prüfungen erscheinen werden. Ofelia kehrt zum Haus zurück.
Am nächsten Tag hat der Hauptmann zu einer abendlichen Feierlichkeit wichtige Persönlichkeiten eingeladen, und Ofelias Mutter hat ihr dafür ein Kleid genäht. Ofelia macht sich auf, die erste Prüfung anzutreten. Unter einem uralten, großen Baum sitzt eine Riesenkröte, die den Baum langsam absterben lässt. Ofelia soll die Kröte töten und einen Schlüssel aus deren Magen holen, um den Baum zu retten. Es gelingt ihr, aber ihr schönes Kleid, das sie – um es nicht schmutzig zu machen – an einen Ast des Baumes gehängt hat, ist völlig verdreckt. Die Mutter ist entsetzt und ärgerlich und schickt Ofelia ohne Abendbrot ins Bett.
Ofelia findet heraus, dass die Hausangestellte Mercedes und der Arzt Dr. Ferreiro mit den Partisanen kooperieren – sie schleichen sich nachts hinaus, und der Arzt amputiert einem verwundeten Partisanen das vom Wundbrand befallene Bein. Ihrer hochschwangeren Mutter geht es immer schlechter, weshalb Ofelia die zweite Prüfung nicht beginnt. Der ungehaltene Pan taucht in ihrem Zimmer auf und gibt ihr eine Alraune. Ofelia soll die Alraune in einer Schüssel mit Milch unter das Bett der Mutter stellen und sie täglich mit zwei Tropfen ihres Blutes füttern. Sofort geht es ihrer Mutter besser. Ofelia hat nun Gelegenheit, die zweite Prüfung zu absolvieren.
Sie muss eine Tür aus Kreide an die Wand malen, die sich dann materialisiert. Dahinter befindet sich ein Raum, in dem ein opulentes Festmahl aufgetischt ist. Der Pan hatte sie gewarnt, sie dürfe nichts essen oder trinken. Auch müsse sie von diesem gefährlichen Ort zurückkehren, bevor die Sanduhr, die er ihr zusammen mit der Kreide gegeben hat, abgelaufen ist. Zur Hilfe gibt er ihr drei Feen mit, die sie leiten sollen. Am Tischende sitzt reglos ein augenloses humanoides Monster, dessen Augäpfel auf einem eisernen Teller vor ihm liegen. Ofelia findet drei kleine Fächer an der Wand, jedes mit einem Schloss versehen. Die Feen deuten auf das mittlere Fach, doch Ofelia entscheidet sich für das linke, öffnet dieses und findet einen Dolch darin. Die Kreatur am Tisch bewegt sich noch immer nicht, und Ofelia, noch hungrig vom Vortag, isst zwei Weintrauben, obwohl die Feen verzweifelt versuchen, sie davon abzuhalten. Daraufhin erwacht die Kreatur und steckt sich die Augäpfel in die Handinnenflächen. Der Kinderfresser (Glasmalereien an der Decke zeigen seine schrecklichen Taten, und in einer Ecke liegen hunderte Kinderschuhe) ergreift zwei der Feen, die ihn aufhalten wollen, und beißt ihnen die Köpfe ab. Nur mit Glück kann Ofelia durch eine zweite Kreidetür, die sie an die Decke zeichnet, entkommen, da sich die erste wegen der abgelaufenen Sanduhr bereits geschlossen hatte.
Der Pan ist wütend und wirft ihr vor, wegen ihres Ungehorsams versagt zu haben; dann verschwindet er. Ofelia will neue Blutstropfen in das Gefäß mit der Alraune träufeln, doch ihr Stiefvater entdeckt sie dabei. In ihrer Verzweiflung, die Kontrolle über ihre Tochter ganz verloren zu haben, wirft die Mutter die Alraune ins Kaminfeuer. Im selben Augenblick setzen bei ihr heftige Wehen ein. Vidal hat inzwischen in den Wäldern eine Gruppe Partisanen gestellt und alle getötet bis auf einen, den er nun die ganze Nacht lang bestialisch foltert. Der Arzt erlöst den gefolterten Partisanen am nächsten Morgen mit einer Morphium-Spritze. Vidal, der anhand von gleichen Penicillinampullen entdeckt hat, dass der Arzt den Rebellen hilft, erschießt diesen hinterrücks. Carmen stirbt bei der Geburt, doch das neugeborene Kind, Vidals leiblicher Sohn, überlebt. Als sich Vidals Vermutung, auch Mercedes kooperiere mit den Partisanen, bewahrheitet, beschließt er, sie zur Rede zu stellen. Ofelia will zusammen mit Mercedes in die Wälder fliehen, doch die beiden werden unweit des Hauses gestellt. Ofelia wird in ihrem Zimmer eingesperrt, während Mercedes gefoltert werden soll. Sie kann sich mit ihrem versteckt gehaltenen Küchenmesser befreien und den Hauptmann verletzen. Sie flieht in die Berge, wo die Soldaten, die sie zurückholen sollen, von den Partisanen erschossen werden.
Es ist Vollmondnacht. Ofelia ist allein und verzweifelt in ihrem Zimmer, als überraschend der Pan auftaucht und ihr eine letzte Chance geben will, wenn sie ihm ohne Widerworte und Fragen gehorcht. Sie soll mit ihrem kleinen Bruder ins Labyrinth kommen. Da ihr Zimmer bewacht wird, gibt ihr der Pan wieder ein Stück Kreide, mit dessen Hilfe sie direkt ins Zimmer des Hauptmanns gelangt. Ihr Stiefvater ist dabei, sich zu betrinken, während er seine von Mercedes aufgeschlitzte Wange näht. Unterdessen greift eine Übermacht von Partisanen den Hof an. Als Ofelia mit seinem Sohn aus dem Zimmer läuft, rennt der Hauptmann ihr nach. Weil ihm Ofelia aber das Beruhigungsmittel ihrer Mutter in den Schnaps getröpfelt hat, fällt es ihm in seiner Benommenheit schwer, sie einzuholen.
Im Labyrinth entkommt Ofelia dem Hauptmann zunächst. Im Vollmondlicht verrät der Pan Ofelia ihre letzte Prüfung: Mit dem Dolch aus der zweiten Prüfung soll sie ihren Bruder töten, da für die Rückkehr in das Reich ihres Vaters das Blut eines unschuldigen Menschen geopfert werden müsse. Ofelia weigert sich. Der Pan ist wütend und drängt sie zur Tat. Ofelia weigert sich wieder. Der Pan lässt von ihr ab mit dem Satz, wenn dies ihr Wunsch sei, dann müsse sie für immer in der Welt der Menschen bleiben.
Hauptmann Vidal, der den Pan nicht sehen kann, findet Ofelia, als sie mit seinem Sohn im Arm in der Mitte des Labyrinths steht und ins Leere spricht. Er nimmt ihr das Kind weg und erschießt das Mädchen. Sie liegt verblutend am Boden, man erkennt die Szene vom Anfang des Films wieder. Vidal verlässt das Labyrinth und wird am Eingang von den Partisanen, die den Stützpunkt erobert haben, gefangen genommen. In Erwartung seines Todes übergibt er das Baby an Mercedes und will sein Sterben als Heldentod inszenieren, den man seinem Sohn mitteilen soll. Doch Mercedes erklärt ihm, sein Sohn werde nicht einmal den Namen seines Vaters erfahren. Ihr Bruder erschießt Vidal und die Gruppe findet Ofelia sterbend im Labyrinth. Ihr Blut tropft nach unten in den Schacht, als sie von einem warmen Licht umflossen wird. Das Blut Ofelias öffnet ihr den Weg in das unterirdische Reich, wo sie ihre Eltern und den Pan wiedertrifft. Der Vater erklärt ihr, dass sie die letzte und wichtigste Prüfung bestanden habe, indem sie bereit gewesen sei, sich selbst zu opfern, anstatt unschuldiges Blut zu vergießen. In der realen Welt lächelt Ofelia ein letztes Mal, bevor ihr menschlicher Körper in den Armen der weinenden Mercedes stirbt.
An dem Baum, an welchen Ofelia ihr grünes Kleid gehängt hatte, sprießt eine weiße Blüte. Die Fee, die nun wieder ein Insekt ist, setzt sich neben die Blüte auf den Ast.