Setahun pasca mimpi buruk supranatural di Freddy Fazbear’s Pizza, Abby kabur demi menemui kembali teman-teman animatroniknya. Namun, langkah ini justru menyingkap rahasia kelam tentang asal-usul Freddy’s dan melepaskan teror mengerikan yang telah terkubur selama puluhan tahun.
Film dibuka dengan kilas balik ke tahun 1981, saat pembukaan lokasi pertama Freddy Fazbear’s Pizza. Di tengah keramaian pesta ulang tahun, seorang gadis kecil bernama Charlotte (Audrey Lynn Marie) duduk sendirian di depan panggung, menunggu pertunjukan dimulai. Ia didekati oleh Vanessa muda (Miriam Spumpkin), satu-satunya teman Charlotte, yang mengajaknya bergabung dengan anak-anak lain.
Namun, perhatian Charlotte teralihkan. Ia melihat William Afton (Matthew Lillard)—saat itu mengenakan kostum Spring Bonnie—sedang menggiring seorang anak laki-laki ke ruang belakang. Charlotte panik dan mencoba meminta tolong pada orang-orang dewasa di sekitarnya, namun mereka semua mengabaikannya. Dengan berani, Charlotte mengejar Afton sendirian. Ia berhasil menarik anak laki-laki itu keluar dari panggung, namun nahas, Charlotte sendiri tertangkap. Ia berteriak sebelum jatuh tewas dengan luka tusuk di punggungnya. Tubuhnya terperosok melalui pintu panggung, namun sebelum menyentuh tanah, ia ditangkap dan dipeluk oleh animatronik ramping bertopeng putih: The Marionette.
Dua puluh tahun kemudian, Vanessa (Elizabeth Lail) terbangun karena telepon dari Mike (Josh Hutcherson) yang mengingatkan janji makan malam mereka. Abby (Piper Rubio) menggoda kakaknya, mengira Mike menyukai Vanessa, namun Mike bersikeras mereka hanya teman. Setahun setelah kejadian di film pertama, Abby sangat merindukan teman-teman animatroniknya (Freddy, Chica, Bonnie, Foxy), namun Mike berusaha keras agar Abby melupakan masa lalu kelam itu.
Di sekolah, Abby dianggap aneh oleh teman-temannya karena sering membicarakan animatronik, meskipun sebagian anak lain tertarik karena adanya fenomena baru bernama “FazFest” (festival yang merayakan sejarah Freddy’s). Abby ingin mengikuti kontes robotika sekolah, namun gurunya yang sinis, Mr. Berg (Wayne Knight), melarangnya karena takut obsesi Abby akan mempermalukan sekolah.
Malamnya, saat Mike dan Vanessa makan malam, terlihat jelas keduanya masih menderita PTSD (Post-Traumatic Stress Disorder). Saat Mike pulang, ia mendapati Abby hilang. Abby pergi ke reruntuhan restoran Freddy’s tempat Mike dulu bekerja untuk “memperbaiki teman-temannya”. Di sana, Abby menemukan sebuah mainan Faz-Speaker dan membawanya pulang.
Tiga YouTuber paranormal—Lisa (Mckenna Grace), Alex (Teo Briones), dan Rob (David Andrew Calvillo)—membobol lokasi Freddy’s Original (lokasi 1981, bukan tempat kerja Mike). Mereka dipandu masuk oleh seorang Pria Misterius (Freddy Carter). Di dalam, mereka melihat animatronik-animatronik asli.
Petaka dimulai saat mereka berpencar, Alex dicabik-cabik hingga tewas oleh animatronik yang tak terlihat. Rob tewas tenggelam di wahana sungai buatan (river moat ride). Lisa diserang oleh The Marionette. Mengerikannya, Marionette menggunakan tubuh mayat Lisa seperti boneka tali sungguhan. Pria Misterius itu kemudian muncul dan menyapa The Marionette dengan sebutan “Charlotte”, menyambut kepulangannya.
Kondisi mental Vanessa memburuk hingga ia menodongkan pistol ke seseorang di gym karena paranoid. Dalam mimpinya, Vanessa dikejar oleh William Afton. Meskipun Vanessa menembak ayahnya hingga jatuh dari balkon dalam mimpi itu, Afton terus mengejeknya, menunjukkan bahwa bayang-bayang ayahnya tak pernah hilang.
Sementara itu, mainan Faz-Speaker milik Abby mulai berbicara, memberitahu lokasi animatronik baru. Abby bersepeda ke lokasi Freddy’s Original dan disambut oleh Toy Chica (disuarakan oleh Megan Fox).
Vanessa mengetahui kepergian Abby dan mencoba memberitahu Mike. Namun, Mike justru marah. Mike baru saja bertemu dengan Henry (Skeet Ulrich), ayah Charlotte. Henry mengungkapkan bahwa Vanessa memiliki hubungan masa lalu dengan Charlotte. Mike merasa dikhianati karena Vanessa menyembunyikan fakta ini dan mulai tidak mempercayainya lagi.
Abby membuat robot boneka berdasarkan desain Chica untuk proyek sekolah. Mr. Berg dengan sengaja menjatuhkan dan merusak boneka itu agar Abby keluar dari kontes. Marah dan sedih, Abby kembali ke Freddy’s untuk membawa Toy Chica yang asli ke sekolah sebagai gantinya. Namun, Toy Chica berkata ia butuh kode keamanan untuk bisa keluar, bersama Toy Freddy (disuarakan Kellen Goff) dan Toy Bonnie (disuarakan MatPat).
Vanessa, yang datang ke sana untuk menenangkan arwah Charlotte, tertangkap oleh The Marionette. Marionette mengancam akan membunuh Abby jika Vanessa tidak memberikan kode keamanan. Demi menyelamatkan Abby, Vanessa menyerah. Setelah kode dimasukkan, The Marionette membuang mayat Lisa yang sudah tidak berguna.
Kekacauan pun terjadi, di sekolah, Toy Chica memburu Mr. Berg dan membunuhnya dengan cara meremukkan kepalanya. Toy Freddy berjalan-jalan di acara FazFest, awalnya memukau para penggemar sebelum mulai mencari mangsa orang dewasa. Toy Bonnie berkeliaran di lingkungan perumahan.
Motif Charlotte (Marionette) terungkap, Ia marah kepada semua orang dewasa karena mereka mengabaikannya saat ia dibunuh tahun 1981, sehingga ia memerintahkan animatronik “Toy” untuk membantai orang dewasa.
Mike kembali ke rumah Henry. Henry memberinya sebuah Kotak Musik (Music Box) tua yang dulu digunakannya untuk menidurkan Charlotte, berharap benda itu bisa menenangkan arwahnya.
Mike kemudian meretas komputer di Freddy’s Original, membebaskan Vanessa, dan melacak para animatronik. Mike menggunakan topeng Freddy bekas untuk melindungi diri dari serangan Prototype Animatronics yang mulai bangkit. Vanessa pergi menyelamatkan warga (termasuk menyelamatkan pasangan dari serangan Toy Freddy dengan menabrakkan animatronik satu sama lain), sementara satu animatronik tersisa menuju rumah Mike.
Mike sadar ia butuh bantuan besar. Ia pergi ke Freddy’s tempat ia bekerja dulu (lokasi film pertama) dan memanggil Empat Animatronik Klasik (Freddy, Chica, Bonnie, Foxy) untuk membantu Abby jika mereka benar-benar peduli padanya.
The Marionette keluar dari dada Toy Chica dan merasuki tubuh Abby. Vanessa dibawa ke rumah Mike oleh teman Mike, Jeremiah (Theodus Crane). Marionette (dalam tubuh Abby) menyerang Vanessa dengan brutal. Mike tiba tepat waktu dan memutar Kotak Musik pemberian Henry, yang berhasil memaksa Marionette keluar dari tubuh Abby.
Tiba-tiba, Pria Misterius muncul. Ia mengungkapkan identitasnya sebagai Michael Afton, kakak laki-laki Vanessa yang terasing. Michael ingin melanjutkan karya gila ayah mereka dan menggunakan hantu Charlotte untuk melakukan pekerjaan kotornya.
Para “Toy Animatronics” (Toy Freddy, Toy Bonnie, Toy Chica) dan Prototype Foxy menyerang rumah. Namun, Animatronik Klasik datang tepat waktu. Terjadi pertarungan sengit, robot-robot lama yang rusak mencabik-cabik robot-robot “Toy” yang canggih demi melindungi Abby.
Di tengah kekacauan, Jeremiah berhasil memukul pingsan Michael Afton saat ia mencoba kabur.
Setelah pertempuran usai, tubuh Animatronik Klasik rusak parah karena terlalu lama berada di luar restoran. Hantu anak-anak di dalamnya akhirnya bisa “menyeberang” ke alam baka dengan damai. Namun, salah satu hantu anak laki-laki memperingatkan Mike, “Dengan perginya kami, tidak ada lagi yang menahan arwah William Afton. Dia akan kembali, lebih kuat dari sebelumnya.”
Michael Afton menghilang di tengah kekacauan. Jeremiah membawa Mike dan Abby pergi menjauh. Dengan hati hancur, Mike menyuruh Vanessa untuk menjauh darinya dan Abby selamanya, karena ia tidak bisa lagi mempercayai Vanessa yang menyembunyikan keberadaan saudaranya, Michael.
Saat Vanessa menatap kepergian mereka dengan sedih, The Marionette diam-diam merasuki tubuh Vanessa.
Middle Credit scene: Tiga remaja yang menyusup ke ruang tersembunyi di Freddy’s (yang sebelumnya dikunci Mike). Mereka menemukan bangkai kostum kelinci kuning (Springtrap). Saat mereka menutupinya dengan plastik, mata Springtrap tiba-tiba menyala hijau, menandakan William Afton telah bangkit kembali.
Ending credit scene: Terdengar pesan suara dari Henry kepada Mike. Henry mengaku bahwa ia adalah mantan rekan bisnis Afton dan memperingatkan Mike sekali lagi tentang bahaya hantu Charlotte yang kini lepas.
