Au début du vingtième siècle, Arthur Kipps, un jeune clerc de notaire anglais, veuf et père d'un petit garçon, est envoyé en mission dans un village du nord-est de l'Angleterre, pour régler la succession d'une cliente décédée. À peine arrivé, il doit faire face à l'hostilité des villageois, qui ne souhaitent qu'une chose : le voir repartir au plus vite. Alors qu'il cherche à récupérer des documents dans la demeure abandonnée de Eel Marsh, où résidait sa cliente, il remarque dans le cimetière attenant la présence d'une femme habillée de noir, et entend des appels à l'aide provenant des marais. Il découvre alors que Nathaniel, le fils de la propriétaire, s'est noyé dans ces marécages plusieurs années auparavant et que son corps n'a jamais été retrouvé.
Peu après, alors qu'il est de retour au village, une petite fille décède après avoir avalé de la lessive de soude. Un accident que les villageois mettent sur le compte de la dame en noir.
En fouillant Eel Marsh House et en examinant les papiers qu'il y a trouvés, Arthur va peu à peu comprendre la vérité : Nathaniel, le petit garçon, fut retiré à sa mère, la dame en noir, jugée folle et incapable de s'occuper de lui. C'est la propre sœur de celle-ci qui en eut la garde. Durant des années, elle empêcha tout contact entre la mère biologique et son fils, nourrissant la rancœur de la dame en noir. Jusqu'à ce que le garçon meure dans les marais, laissant sa mère biologique folle de rage et de désespoir. À bout, celle-ci finit par se pendre dans la chambre de son fils. Depuis, elle hante la maison.
Arthur va d'ailleurs en avoir la preuve à plusieurs reprises, en étant le témoin d'évènements étranges ou terrifiants : portes qui s'ouvrent, présences soudaines d'une mystérieuse personne en noir, objets bougeant seuls, apparitions de cadavres d'enfants ou d'esprits comme une femme qui se pend dans une chambre puis disparaît.
Il constate aussi qu'à chaque fois qu'il voit la dame en noir, un enfant meurt violemment, et commence à craindre pour la vie de son fils qui doit le rejoindre. Il se met en tête de ramener le corps du petit Nathaniel enfoui dans le marais et de le remettre à sa mère biologique. Il réussit finalement à le retrouver en utilisant la voiture de Samuel et dépose le corps du petit sur son lit. Il met les cartes d'anniversaire de Nathaniel autour de celui-ci et actionne les jouets. Puis la dame en noir arrive par le couloir et crie (de douleur ?) juste devant le visage d'Arthur. Une fois les retrouvailles finies, le corps du petit Nathaniel rejoint le cercueil de sa mère.
Peu de temps après Samuel et Arthur partent retrouver le fils de ce dernier à la gare. Lorsqu'ils arrivent Arthur demande à la nourrice de son fils de commander trois billets pour Londres et au moment de faire les adieux, la dame en noir apparaît, elle hypnotise le garçon d'Arthur pour qu'il se tue en marchant le long du chemin de fer et lorsque Arthur s'en rend compte, un train arrive, Arthur tente de sauver son fils mais ils se font tous les deux percuter.
Quelques minutes après on aperçoit Arthur et son fils toujours sur le chemin de fer, mais il n'y a personne sur le quai. Le fils de Arthur demande à son père : «Qui est cette dame ?», alors Arthur se retourne et voit sa femme et répond à son fils : «C'est ta mère» puis ils partent tous les trois heureux dans le brouillard.
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