인형을 만드는 일을 하던 인형장인 '사무엘 멀린스' 는 도심에서 떨어진 집에서 아내와 딸과 함께 살고 있었다. 딸인 '비(Bee)' 는 어리지만 장난기도 많고 밝은 성격으로, 아빠에게 쪽지에 문구를 써서 숨바꼭질을 거는 등 화목하고 행복한 생활을 하고 있었다.

그러나 어느 날, 교회에서 예배를 하고 돌아오던 갓길에 차 타이어에 펑크가 나게 되고 사무엘과 그의 아내는 곤란해한다. 사무엘이 펑크가 난 타이어를 고치기 위해 살펴보던 도중 나사 하나가 빠져나가게 되는데, 이를 본 비가 자신이 주워주겠다며 뛰어갔다가 마침 달려오던 차에 들이받히고 그 자리에서 사망하고 만다.

12년이 지난 후, 멀린스 부부는 인근의 한 고아원이 해체됨에 따라 갈 곳이 없어진 아이들을 다른 가정에 입양될 때까지 받아주기로 하며 집안을 소개해주고, 아이들이 잘 방을 안내해주는 등 친절을 베푼다. 아이들은 들뜬 채로 집안 이곳저곳을 둘러보고, 사무엘은 아이들 중 몸이 가장 약하고 소아마비로 거동이 불편한 재니스에게 자동으로 계단을 오르내리는 의자를 보여준다. 본래는 몸이 약해진 멀린스 부인을 위한 것이었다며 말을 흐린다. 참고로 이 의자, 벨트를 채워야만 작동한단다... 이 때 의자를 시험삼아 써보던 재니스는 2층에 방문이 열린 채로 방치된 방을 목격하고, 뭔가 오싹한 기분을 느끼지만 아이들이 너도나도 의자를 써보고 싶다고 올라온 탓에 자세히 보지는 못한다. 이후 사무엘은 자신의 딸 비가 쓰던 방 만큼은 걸어잠가놓고 절대로 들어가지 말라며, 별다른 설명 없이 '앞으로도 계속 잠겨있을 방이다' 라는 말만을 남긴다.

그날 밤, 이층침대의 1층에서 자던 재니스는 방문 밑으로 종이 쪽지가 들어오던 것을 목격하고, 쪽지에는 자신을 찾아보라는 문구가 적혀있었다. 친구들인 낸시나 캐롤이라고 생각한 재니스는 쪽지를 따라가지만, 그 앞에는 사무엘이 들어가지 말라고 신신당부한 비의 방이 있었고, 망설이던 재니스는 방문을 열어 방에 들어가버린다. 그러나 방문이 스스로 닫히고 인기척이 느껴지는 등, 또한 벽장이 저절로 열리고 그 안의 애나벨 인형이 스스로 움직이는 기이현상을 겪고 방에서 도망치듯이 나와 방으로 가버린다.

그 다음 날, 고아원의 보호자인 수녀 샬럿에게 재니스는 고해성사를 하려 했지만 샬럿은 "이유야 어쨌든 죄는 죄다" 라고 재니스를 단호하게 그르치며 이야기는 일단락된다.나머지 친구들은 뜰에 있는 우물에서 수다를 떨고 있었는데, 이 대화 내용이 상당히 예의가 없었다. 사무엘이 멀린스 부인을 우물에 가뒀다는 둥... 그 대화를 듣던 린다는 차라리 다른 이야기를 하자며 같이 놀 것을 제안하지만, 친구들은 시큰둥한 반응을 보인다. 이에 캐롤이 숨바꼭질을 제안하고,린다는 숨을 곳을 찾으러 어딘가로 뛰어간다.

나머지 고아원 친구들은 찾는 시늉만 하고 돌아다니다가 헛간에 들어가는데, 헛간에 세워져있던 허수아비에게 말을 걸다가 때리는 등 짓궂은 장난을 쳐댄다. 한편 린다는 숨을 곳을 찾아 헤메던 중 계단 아래쪽에 있던 공간에 숨어들어가게 되는데, 그 안에서 애나벨 인형과 맞닥뜨리게 된다. 린다는 인형에게 습격을받아 겁에 질린 채로 도망치다가 때마침 돌아온 고아원 아이들과 마주치고, 아이들은 그런 린다를 "숨는 것도 못한다" 며 쌀쌀맞게 무시한다.

밤이 되자 재니스는 기묘한 음악 소리를 듣게 되고, 음악 소리에 이끌리듯 다시 비의 방에 다가가게 된다. 재니스는 그 방에서 창가에 서있는 비의 형상을 목격하고, 조심스럽게 말을 걸자 비는 재니스에게 도움을 청한다. 재니스가 비에게 필요한 것을 묻자 순간 비가 뒤돌아보면서 악마의 모습으로 변하며 '너의 영혼'이라는 대답을 해오고, 재니스는 비명을 지르며 필사적으로 도망치려 하지만 보이지 않는 것에 의해 계속해서 끌어당겨진다. 가까스로 도망친 재니스는 사무엘이 알려준 자동의자를 타고 내려가지만, 의자가 도중에 멈추더니 제멋대로 올라가기 시작한다. 계단 위에서 비의 형상을 본 재니스는 겁에 질려 내려가려 하지만 뜻대로 되어주지 않고, 악마는 재니스와 의자를 1층으로 집어던져 재니스는 큰 부상을 입어 간신히 회복되던 다리를 아예 쓸 수 없게 된다.

수녀 샬럿은 심상치 않은 일이 일어남을 깨닫고 아이들에게 재니스를 잘 부탁한다고 일러두지만, 나머지 아이들의 표정은 침울하기만 했다. 그러나 재앙은 끝나지 않았고, 재니스가 휠체어를 타고 뜰에 혼자 나와있던 도중 뒤에서 누군가 세게 밀어서 헛간에 재니스를 가둬버린다. 헛간에 갇힌 채 온갖 공격을 받던 재니스는 비의 형상과 다시 맞닥뜨리고, 재니스의 몸 안으로 악마가 들어가게 된다.
린다는 재니스의 행동이 이상해졌다며 사무엘에게 토로하지만, 사무엘은 린다의 말을 듣고서야 재니스가 비의 방에 들어갔다는 것을 알게 되고, 린다에게 그 방에 절대로 들어가지 말라고 당부하며 화를 내고 집으로 들어가버린다. 그러나 사무엘은 집에 들어갔다가 식탁 정중앙에 앉아있는 애나벨 인형을 목격한다. 불안함에 휩싸인 사무엘의 뒤로 때마침 집을 배회하던 재니스가 지나가는데, 사무엘은 재니스에게 함부로 돌아다니지 말라 경고하지만 재니스는 목을 기이하게 꺾고 뒷걸음질 치며 비가 항상 듣던 노래를 흥얼거린다. 겁을 먹은 사무엘은 자신이 깎은 나무 십자가를 들고 재니스에게 다가가지만 당연히 그 재니스는 악마가 들린 상태였고, 사무엘의 십자가를 든 손가락을 하나씩 꺾어버리고 결국 사무엘은 온 몸이 꺾인 채 죽어버린다.

뒤늦게 돌아오던 샬럿은 사무엘의 비명소리를 듣고, 급히 비명소리를 따라 가보지만 이미 사무엘은 온몸이 꺾인 채 죽어있었다.

한편 린다는 재니스의 행동이 이상해진 것과 사무엘의 죽음이 애나벨 인형과 관련이 있다고 생각하고 거실 소파에 잠들어 있는 재니스에게서 애나벨 인형을 가지고 나와 우물가로 간다. 2층에서 양치를 하며 이 장면을 목격한 샬럿도 린다를 따라 나선다. 린다는 우물가로 가며 누군가가 따라오는 듯한 느낌을 받고 급하게 우물에 도착해 뚜껑을 여는 순간 뒤에서 샬럿이 나타난다. 린다는 애나벨 인형이 재니스를 괴롭히고 있다며 우물로 애나벨을 던져버린다. 이후 샬럿과 함께 집으로 돌아가려다 우물에서 이상한 소리가 나자 린다는 다시 돌아가 우물 안을 살펴본다. 그냥 가라고! 이 때 갑자기 우물 안에서 정체불명의 손이 린다를 덮쳐 린다가 우물로 떨어질 뻔 하는데 다행히 샬럿이 발견하고 린다를 끌어내린 후 우물을 다시 뚜껑으로 덮어버린다. 하지만 그 이후에도 나무 뚜껑을 계속해서 치는 등 기이한 일이 벌어지자 두 사람은 집 안으로 달려간다. 거실에 있는 재니스에게 이 모든 일을 물어보려 가보지만 재니스가 누워 있던 자리엔 분명 아까 우물 속으로 버렸던 애나벨 인형이 있었고 재니스는 온데간데 없었다. 샬럿은 아이들에게 어서 재니스를 찾으라고 말하고 자신은 멀린스 부인에게 달려가 상황을 묻는다.

그제서야 멀린스 부인은 자초지종을 설명해준다. 멀린스 부부는 과거 딸을 잃은 슬픔이 큰 탓에 딸을 다시 볼 수만 있다면 어떤 존재라도 집에 받아들이겠다고 기도했다. 부부는 딸인 척 인형에 돌아온 악마에게 속아 악마가 비가 가지고 놀던 애나벨 인형에 들어가 집에 머무는 것을 허락했고, 점점 악마의 존재가 강해져 급기야 멀린스 부인의 한쪽 눈을 공격하는 등 활개를 치기 시작한 것. 결국 부부는 교회에 도움을 청해 애나벨 인형을 벽장에 가두고, 소금이나 성수를 뿌리고 주님의 말씀이 적힌 복음서를 잔뜩 붙여놓은 다음 12년이 지나자 괜찮을 거라고 생각해서 고아원의 아이들을 받아들였으나, 악마는 가장 몸이 약한 재니스를 숙주로 부활한 것.

결국 집을 떠나기로 마음먹었지만 이미 악마가 부활한 이상 뜻대로 되지 않고, 재니스에 빙의한 악마는 칼을 들고 돌아다니며 아이들을 위협하고, 멀린스 부인의 몸을 찢어 죽이는 등 활개치기 시작한다.샬럿마저 악마에게 당해 몸이 유리에 부딪히고 부상을 입자 혼비백산한 아이들은 뿔뿔이 흩어지기 시작하고, 도중에 캐롤은 헛간에 갇혀 그 때 때리고 장난을 쳤던 허수아비 안에서 무언가가 찢고 나오려는 것을 보고 겁을 먹고 도망치는 등 상황은 말그대로 개판이 되어버린다.

끝에 이르러서야 샬럿은 끝내 린다를 발견해 살해하려 하는 재니스를 붙잡아 묵주를 건 뒤 인형과 함께 인형을 가둬 두었던 벽장에 가둬버리고, 무너지는 집에서 나와 밖에서 정신줄을 놓고 겁먹고 있던 아이들을 전부 구하는 데 성공하지만 재니스만은 끝내 찾지 못한다.

마지막에는 인형을 완전히 정화하고 성당에 데려가는 등 일단락되나 싶었지만, 시간이 흐른 뒤 다른 고아원에서 발견된 재니스를 입양하러 온 헤이겐스 부부가 입양한 재니스는 이름이 뭐냐는 질문에 애나벨(!!)이라고 대답한다 이후에 등장하는 장면은 애나벨 1편으로 매끄럽게 이어진다.