La cinta es una interpretación de hechos reales a partir del caso "El Estado de Indiana contra Baniszewski" (1966). Todos los testimonios proceden de las transcripciones del juicio.

Indianápolis, Indiana (EEUU). Junio de 1965. La joven de 16 años Sylvia Likens (Ellen Page) y su hermana Jennie, de 14 años, (Hayley McFarland) son las hijas de unos trabajadores de un carnaval ambulante. Unas veces viajan con sus padres Lester (Nick Searcy) y Betty (Romy Rosemont), y otras se quedan con unos parientes. Incapaces de cargar con todas las responsabilidades de tener hijos y además trabajar en la carretera –especialmente con Jennie, que arrastra secuelas de la polio–, Lester se las arregla para dejar a las niñas con una completa extraña: Gertrude Baniszewski, de 37 años (Catherine Keener). A pesar de que Gertrude es madre divorciada con seis hijos propios, afirma que tener dos más no le supondrá muchos más problemas. Lester acuerda enviarle 20 dólares a la semana.

La camada de Gertrude incluye los cinco hijos que tuvo con su exmarido –Shirley, de 10 años (Hannah Leigh Dworkin), Marie, de 11 (Carlie Westerman), Johnny, de 12 (Tristan Jarred), Stephanie, de 15 (Scout Taylor-Compton), Paula, de 17 (Ari Graynor)– y Kenny, el bebé que tuvo con Andy, su novio de 22 años (James Franco).

La familia a duras penas sobrevive con los infrecuentes cheques que le pasa el exmarido de Gertrude, con el dinero que se gana planchando para los vecinos y con el sueldo de media jornada de Paula. Para empeorar las cosas, Gertrude sufre de asma y constantemente está enferma y exhausta. Nunca hay suficiente dinero, y por este motivo es fácil darse cuente de por qué Gertrude está tan desesperada por ingresar los 20$ semanales por hacer de canguro de las hermanas Likens.

Aunque Paula es un año mayor que Sylvia, rápidamente se hacen amigas, y Paula le presentará rápidamente a su novio Bradley (Brian Geraghty), un hombre casado que trabaja en una licorería. Paula no puede creer que Sylvia todavía sea virgen. En la escuela, un idiota llamado Ricky Hobbs (Evan Peters) no deja de seguir a Sylvia a todas partes; ella intenta deshacerse de él de forma cortés, pero él no se rinde.

Andy aparece para decirle a Gertrude que pronto se alistará en el ejército y que le enviará cheques regularmente para Kenny. Pero mientras, necesita un préstamo. Gertrude se resiste, pero finalmente accede a prestarle los 20 dólares que Lester Likens le dio como anticipo.

La cena en Casa Baniszewski es un asunto austero: un cutre y solitario sandwich en cada plato. Paula vuelve a casa tarde y Gertrude la acusa de salir con Andy. Más tarde aquella noche, Paula le confiesa a Sylvia que está embarazada y le hace prometer que no se lo dirá a nadie.

Al ver que el dinero de Lester no llega a tiempo, Gertrude coge a Sylvia y a Jennie, las encierra en el sótano y las azota con el cinturón. El cheque llega al día siguiente. Aquella noche, las chicas más mayores salen a la ciudad y alternan con dos chicos en la parte trasera de una camioneta. La hermana de Paula, Stephanie (Scout Taylot-Compton) se lo monta en la cabina con su novio Coy Hubbard (Jeremy Sumpter). Sylvia sigue a Paula hasta un callejón, donde Bradley está cortando con ella. Cuando Paula reacciona agresivamente, el chico la lanza contra la pared y parece que se dispone a violarla. Aterrorizada, Sylvia grita "¡Está embarazada!" Paula está furiosa, pero no con Bradley, sino con Sylvia. Detrás de Sylvia está Ricky Hobbs, quien lo ha visto todo. Paula vuelve a casa y, con lágrimas en los ojos, le cuenta a su madre que Sylvia ha ido diciendo a todo el mundo que es una fresca.

Al salir de la iglesia, Gertrude reúne a todos los niños en la sala de estar. Obliga a Sylvia a pedir perdón por mentir. Sylvia reivindica su inocencia, pero termina accediendo. Gertrude le da la posibilidad a Paula de ajustar las cuentas. Paula abofetea a Sylvia y la tira al suelo de un empujón.

Septiembre de 1965. Los rumores del embarazo de Paula se extienden por la escuela. Aparece para visitar a Gertrude y comparten un cigarrillo en el sofá. Ricky le pregunta por Sylvia. Gertrude le responde que cuando ella era joven era bella como Sylvia, y los chicos le iban detrás.

Sylvia y Jennie llaman a sus padres desde una cabina y los niños Baniszewski las ven. Jennie le explica a Gertrude que tienen dinero para llamadas de larga distancia porque se lo han ganado recogiendo botellas en el parque. Gertrude acusa a Sylvia de ladrona y de mentirosa. Para castigarla utiliza un cigarrillo encendido.

En el picnic de la iglesia, Sylvia le pregunta a Ricky si le ha dicho a alguien que Paula está embarazada. Él lo niega, pero al ser la única persona que también lo sabía, también es el único posible sospechoso. Andy le dice a Gertrude que Sylvia ha ido chivando a todo el mundo que Paula está embarazada. Gertrude mira a su alrededor y ve a Sylvia rodeada de chicos. "Si alguien está embarazada aquí, apuesto a que es ella", refunfuña Gertrude. Andy advierte a Sylvia que no se acerque a Gertrude ni a sus hijos. Y a Gertrude no le hace la menor gracia ver a Sylvia con Andy.

Cuando Sylvia regresa después de salir con unos chicos, todos los niños y Ricky se reúnen en el salón. Resulta evidente que planean un nuevo "castigo". Gertrude acusa a Sylvia de haber dicho más mentiras y, lo que es peor, ha flirteado con Andy. Sylvia le jura que es inocente, pero Gertrude la ignora. La mujer ordena a Coy Hubbard y a Johnny que la echen escalera abajo hacia el sótano.

Jennie baja para darle agua a Sylvia, pero rápidamente la llaman para que vaya a una reunión familiar. Los padres de Sylvia y Jennie no regresarán hasta noviembre y la casa de los Baniszewski tendrá que apretarse más el cinturón. Gertrude explica a los niños que Sylvia debe permanecer en el sótano "hasta que aprenda la lección". Les da instrucciones de decir a todo el mundo que Sylvia fue enviada a un centro de reclusión juvenil. Tras la reunión, Paula baja al sótano y le ofrece a Sylvia un poco de agua y sopa, y le dice que estará ahí muy poco tiempo.

Johnny Baniszewski consigue la llave y lleva a sus hermanas Marie y Shirley, y a dos chicos del barrio, Teddy (Michael Welch) y Sally (Amy Ferguson), al sótano. Johnny quema a Sylvia con un cigarrillo e incita a Sally a hacer lo propio. Los chicos del barrio se irán aficionando a pasar por el sótano a diario para torturar y humillar a Sylvia, jactándose de sus gritos de dolor. Gertrude toma parte a menudo de tales encuentros.

Octubre de 1965. Comprobando el correo, Gertrude encuentra una nota del laboratorio que confirma el embarazo de Paula. Su hija llega a casa y le pregunta cuándo perdonará a Sylvia. "Hay cosas en la vida que debemos hacer, nos guste o no", responde la madre.

Gertrude baja al sótano, donde Sylvia está atada a un poste. Lavándole la cara con un trapo sucio, le confiesa: "Sé lo que es estar enferma, Sylvia". Sylvia saca la lengua en un frágil intento de captar algo de humedad. Gertrude, aguantándose las lágrimas, le dice a Sylvia que está haciendo todo lo que puede para disciplinar y proteger a los niños, pues ella es todo lo que tienen. Sylvia casi no puede respirar. Ni siquiera puede abrir los ojos para aguantarle devolverle la mirada a Gertrude. "Gracias, Sylvia", termina Gertrude, "gracias por tu entendimiento".

El reverendo Bill (Michael O’Keefe) acude a la casa a visitarles. Le explica a Gertrude que Paula le ha confesado que está embarazada. Gertrude lo niega rotundamente y le responde que sólo es una mentira que Sylvia ha propagado. El reverendo le comenta que hace semanas que Sylvia no acude a la iglesia y le pregunta si puede hablar un momento con ella. Gertrude le explica que está en el Centro Juvenil, a lo que el replica que se dirigirá al Centro para verla. Al marcharse el sacerdote sale Paula y Gertrude, llena de ira, ordena a todos los niños que bajen al sótano. En compañía de Ricky Hobbs, el grupo reemprende los abusos a Sylvia.

Al cabo del rato, Paula baja al sótano y saca a Sylvia de la casa. Mientras escapan, Shirley despierta a Gertrude, quien sale a perseguirles. Paula se rezaga para entretener a Gertrude y Sylvia cae rendida en el jardín de Ricky. Él le pide perdón por todo lo que le ha hecho y acuerda llevarla en coche hacia la caravana de sus padres.