Seorang petugas keamanan yang tengah dilanda masalah mulai bekerja di Freddy Fazbear’s Pizza. Selama lima malam bertugas, ia menyadari bahwa ada sesuatu yang tidak beres di pizzeria tersebut, hingga akhirnya perlahan menemukan kebenaran mengerikan di balik para animatroniknya.
Cerita dibuka dengan adegan menegangkan di dalam Freddy Fazbear’s Pizzeria. Seorang penjaga keamanan yang ketakutan mencoba melarikan diri melalui saluran ventilasi udara. Namun, usahanya sia-sia. Kamera memperlihatkan monitor pengawas yang merekam ruangan-ruangan kosong di pusat hiburan keluarga tersebut. Penjaga itu tertangkap, dipukul hingga pingsan, dan saat tersadar, ia sudah terikat di sebuah kursi. Sebuah topeng beruang yang dilengkapi gerigi besi tajam dan per perlahan diturunkan ke wajahnya. Ia berteriak histeris saat topeng itu menghancurkan wajahnya.
Cerita berpindah ke masa kini, memperkenalkan Mike Schmidt (Josh Hutcherson), seorang pemuda yang bekerja sebagai satpam mal. Mike memiliki trauma berat. Saat sedang antre makan siang, ia melihat seorang pria menggendong paksa seorang gadis kecil. Teringat masa lalunya, Mike menyerang pria itu dengan brutal, namun ternyata pria itu hanyalah ayah sang gadis. Akibat kesalahpahaman fatal ini, Mike dipecat.
Mike kemudian menemui Steve Raglan (Matthew Lillard), seorang konselor karier. Raglan menawarkan satu-satunya pekerjaan yang tersisa: penjaga malam di Freddy Fazbear’s Pizzeria. Raglan menjelaskan tempat itu sangat populer di tahun 80-an namun kini ditutup. Pemiliknya enggan menjual gedung itu dan hanya butuh seseorang untuk mencegah vandalisme. Awalnya Mike menolak karena ia tidak bisa bekerja malam hari.
Mike pulang ke apartemennya dan menemukan surat pengusiran tertempel di pintu. Di dalam, ada Max, pengasuh adiknya, dan Abby, adik perempuan Mike yang gemar menggambar. Mike membesarkan Abby sendirian. Setiap malam, Mike memiliki ritual aneh: ia menempel poster hutan Nebraska di langit-langit kamarnya dan mendengarkan kaset suara alam, berusaha memaksakan dirinya bermimpi.
Dalam mimpinya, Mike kembali ke momen paling traumatis dalam hidupnya: saat berkemah di Nebraska bersama orang tua dan adik laki-lakinya, Garrett. Di mimpi itu, Mike lengah sejenak, dan saat menoleh, ia melihat Garrett diculik dan dibawa pergi dengan mobil oleh orang asing. Mike tak berdaya mengejarnya. Ia melakukan ritual tidur ini setiap malam berharap bisa melihat detail baru, seperti wajah si penculik.
Keesokan harinya, Mike bertemu bibinya yang licik, Jane. Jane berusaha merebut hak asuh Abby, bukan karena sayang, tapi demi uang tunjangan pemerintah. Pekerja sosial masih memihak Mike karena melihat gambar-gambar Abby yang selalu menempatkan Mike sebagai pusat dunianya, namun memperingatkan bahwa Mike harus punya pekerjaan tetap. Terdesak, Mike akhirnya menelepon Steve Raglan dan menerima pekerjaan di Freddy’s.
Mike memulai malam pertamanya. Ia menonton video orientasi tua yang menampilkan keceriaan Freddy’s di masa lalu. Ia sempat dikejutkan oleh patung kecil Balloon Boy di dalam loker. Saat tertidur di tempat kerja, ia kembali bermimpi tentang penculikan Garrett. Namun kali ini ada yang berbeda: lima anak misterius mengenakan kostum hewan dan bajak laut muncul dan menatapnya. Saat Mike bertanya siapa mereka, anak-anak itu lari.
Sementara itu, di sebuah kedai kopi, Bibi Jane bertemu dengan Max (pengasuh Abby) dan saudara laki-laki Max, Jeff. Ternyata Jane menyewa Max untuk memata-matai Mike demi mencari bukti kelalaian untuk sidang hak asuh. Karena Mike bersih, mereka menyusun rencana jahat: Jeff dan teman-temannya akan membobol masuk ke pizeria dan mengobrak-abrik tempat itu agar Mike dipecat karena dinilai tidak becus menjaga keamanan.
Pada malam kedua, Mike kembali bermimpi. Ia berhasil menangkap salah satu anak hantu itu dan menuntut jawaban. Anak itu menyerang Mike, mencakar lengannya dengan kail bajak laut. Mike terbangun kesakitan dan mendapati seseorang menggedor pintu restoran.
Itu adalah Vanessa (Elizabeth Lail), seorang polisi wanita yang berpatroli di area tersebut. Vanessa masuk dan tampak sangat mengenal tempat itu. Ia melihat luka cakar di lengan Mike (yang anehnya muncul di dunia nyata persis seperti di mimpi) dan membalutnya. Vanessa mengajak Mike berkeliling dan menghidupkan listrik panggung utama. Para animatronik—Freddy (beruang), Chica (ayam), Bonnie (kelinci ungu), Foxy (rubah bajak laut), dan Mr. Cupcake—mulai bernyanyi dan menari. Vanessa memperingatkan bahwa tempat ini ditutup karena kasus anak hilang di tahun 80-an dan belum ada penjaga yang bertahan lama.
Setelah Mike dan Vanessa pergi, geng Jeff (suruhan Bibi Jane) membobol masuk untuk menjarah. Ini adalah kesalahan fatal. Para animatronik bangkit. Seorang teman Jeff dilempar Mr. Cupcake oleh Chica; kue kecil itu memakan wajahnya hingga habis. Teman lainnya dipojokkan oleh Bonnie di ruang sempit dan kepalanya dihantamkan berkali-kali ke pintu. Jeff tewas di tangan Foxy. Max, sang pengasuh, melihat seorang anak kecil berlari dan mengikutinya hingga ke dekat Freddy. Suara anak itu memanggil dari dalam tubuh Freddy. Saat Max mendekat untuk mengintip ke dalam mulut robot itu, Freddy menggigit tubuh Max hingga putus menjadi dua.
Keesokan harinya, Vanessa datang ke rumah Mike dan bertemu Abby. Mike akhirnya jujur kepada Vanessa bahwa ia sengaja tidur di tempat kerja karena mimpinya tentang penculikan Garrett terasa lebih nyata di sana. Ia berharap hantu-hantu di sana bisa memberinya petunjuk.
Karena Max menghilang (tewas), Mike terpaksa membawa Abby ke tempat kerja pada malam ketiga. Sementara Mike tertidur, Abby berkeliaran dan bertemu para animatronik. Saat Mike terbangun karena teriakan Abby, ia panik, namun ternyata para animatronik itu sedang bermain dan menggelitik Abby. Mereka menyukai Abby. Abby dengan polos berkata bahwa robot-robot itu “didiami oleh hantu”.
Malam berikutnya, Vanessa kembali dan marah besar karena Mike membawa Abby. Ia menunjukkan sebuah ruang belakang yang berisi kostum-kostum kosong dengan endoskeleton logam. Vanessa menjelaskan mekanisme “Spring Lock” (kunci pegas): kostum ini bisa dipakai manusia, namun jika kuncinya gagal, bagian mekanik di dalamnya akan menghancurkan tubuh pemakainya (seperti adegan awal film). Vanessa memperingatkan: “Jangan pernah bawa Abby ke sini lagi.”
Terobsesi memecahkan misteri Garrett, Mike meminta Bibi Jane menjaga Abby agar ia bisa bekerja (Mike tidak tahu Jane jahat). Di tempat kerja, Mike meminum obat tidur agar bisa bermimpi. Di dalam mimpi, anak-anak hantu itu akhirnya bicara. Mereka mengaku sebagai korban penculikan yang sama dengan Garrett. Mereka menawarkan kesepakatan: Mike bisa tinggal dalam mimpi bahagia selamanya bersama Garrett dan orang tuanya, asalkan Mike menyerahkan Abby kepada mereka.
Awalnya Mike setuju, tapi ia segera sadar dan membatalkannya. Anak-anak hantu itu marah dan menyerang Mike dalam mimpi. Di dunia nyata, Mike terbangun terikat, dan dipukul pingsan oleh Foxy.
Sementara itu, Freddy (animatronik) mendatangi rumah Mike. Freddy membunuh (atau melumpuhkan) Bibi Jane dan mengajak Abby “bermain” ke restoran. Mereka naik taksi (dengan supir taksi yang diperankan YouTuber CoryxKenshin) menuju pizeria.
Mike tersadar dalam kondisi terikat di kursi listrik dengan topeng penyiksa (seperti di awal film) yang siap mencabik wajahnya. Vanessa muncul tepat waktu dan menyelamatkannya. Vanessa akhirnya membongkar rahasia kelam: Ayahnya adalah William Afton, pendiri restoran sekaligus pembunuh berantai yang menculik Garrett dan anak-anak lainnya. William menyembunyikan mayat anak-anak itu di dalam tubuh animatronik, sehingga arwah mereka terjebak dan dimanipulasi untuk mengira William adalah ayah mereka.
Mike, berbekal alat kejut listrik (taser) dari Vanessa, menyerbu masuk untuk menyelamatkan Abby. Di dalam, Chica sedang mencoba memasukkan Abby ke dalam kostum yang penuh pegas mematikan. Mike menyengat Chica dan Mr. Cupcake dengan listrik, menyelamatkan adiknya.
Tiba-tiba, Kelinci Kuning (Yellow Rabbit) muncul. Ia bergerak lincah dan menyerang Mike. Saat Mike terdesak, Vanessa datang dan menembakkan taser ke arah Foxy yang mengejar Abby. Vanessa menodongkan senjata ke Kelinci Kuning dan memanggilnya “Ayah”. Kelinci itu membuka topengnya, dan terungkaplah bahwa Steve Raglan, sang konselor karier, adalah William Afton.
William Afton yang kejam tidak ragu menikam perut putrinya sendiri, Vanessa. Saat Mike dan William berkelahi, Mike menyuruh Abby untuk berkomunikasi dengan para hantu. Abby menggambar sebuah gambar baru: William dalam kostum kelinci kuning sedang membunuh anak-anak. Gambar ini diperlihatkan kepada para animatronik.
Sihir manipulasi William hancur. Para animatronik sadar bahwa “Kelinci Kuning” bukan teman, melainkan pembunuh mereka. Mereka berbalik menyerang William. Mr. Cupcake menggigit kostum William, memicu kerusakan pada mekanisme pegas (spring lock). Besi-besi tajam dari dalam kostum menusuk tubuh William secara brutal.
Sambil berdarah-darah dan diseret ke dalam kegelapan oleh para animatronik, William berteriak, “I always come back!” (Aku selalu kembali!). Mike dan Abby memapah Vanessa yang terluka parah keluar dari reruntuhan restoran.
Beberapa waktu kemudian, hubungan Mike dan Abby membaik dan menjadi lebih hangat. Mereka mengunjungi Vanessa yang terbaring koma di rumah sakit. Abby bertanya apakah mereka bisa kembali ke Freddy’s, dan Mike menjawab “mungkin suatu hari nanti.”
Di restoran yang kini sunyi, William Afton masih hidup, namun terjebak selamanya di dalam kostum kelinci di ruang belakang, menderita kesakitan yang tak berujung.
After credit scene: Supir taksi yang sebelumnya mengantar Abby, menoleh ke kursi belakang mobilnya dan terkejut menemukan patung Balloon Boy duduk di sana, menatapnya.
