Deux amies d’école, Erin Gilbert et Abby Yates, ont exposé, dans leurs jeunes années, leurs théories paranormales dans un livre commun : « Fantômes de notre passé, au sens littéral et figuré : une étude du paranormal ». Elles y expliquent notamment que les fantômes existent et peuvent se manifester dans notre monde.

Quelques années plus tard, alors qu’Erin est sur le point de décrocher un prestigieux poste d’enseignante en physique quantique à l’université de Columbia, une visite du conservateur du musée du Manoir Aldridge (Ed Mulgrave Jr.) lui fait comprendre que son livre a refait surface à cause d’Abby. Elle se rend alors au laboratoire de celle-ci, à l’institut Kenneth P. Higgins, pour la convaincre de passer leur livre sous silence le temps que son poste soit titularisé. Abby et sa collaboratrice Jillian Holtzmann acceptent l’idée d’y réfléchir si Erin les met en contact avec le conservateur afin d’enquêter sur l’apparition fantomatique dont le guide touristique du manoir aurait été le témoin et la victime.

Abby convainc finalement Erin de l’accompagner dans leur visite du manoir. Là, le détecteur d’activité paranormale s’affole : le spectre de Gertrude Aldridge apparaît clairement au groupe des trois filles. Erin tente une approche mais se retrouve inondée d’ectoplasme avant que le spectre ne s’échappe. Vidéo à l’appui, Erin exulte face à ce qui représente la preuve des théories qu’elle avait formulées étant jeune.

Hélas, cette vidéo a été repérée par le doyen de l’université de Columbia : Erin devient la risée de l’académie. Elle se rapproche alors de ses copines en espérant poursuivre auprès d’elles leurs recherches. Mais elles-mêmes sont désavouées par le doyen Thomas Shanks lorsqu’elles lui demandent des fonds. Les trois filles n’ont pas d’autre choix que d’être à leur compte.

Bien qu’idéale comme quartier général, une caserne de pompier de Manhattan est hors de leur portée car hors de prix. Le trio se rabat sur le premier étage d’un restaurant chinois (le Zhu’s Authentic Hong Kong Food auquel Abby commandait, et commande toujours ses soupes pour le déjeuner, malgré la systématique déception qu’elle éprouve en étant livrée par Bennie). Là, elles auditionnent Kevin Beckman, le (seul) candidat au poste de réceptionniste de leur agence. Le trio développe et met au point des prototypes censés leur permettre de fonder scientifiquement leurs théories si elles étaient à nouveau confrontées à un spectre.

Cette occasion se présente rapidement car, en suivant Rowan North dans le tunnel du métro de la station Seward Street, l’employée du guichet Patty Tolan tombe face à face avec un spectre d’électrocuté : elle s’adresse naturellement à l’agence spécialisée dans les fantômes. Conduites par Patty, le trio rencontre un graffeur qui va, par provocation, peindre un logo (qu’elles vont finalement adopter pour l’agence) avant de s’engouffrer, avec un matériel de test à roulettes lourd et encombrant, dans le tunnel où elles vont effectivement rencontrer le fantôme. Patty convainc l’équipe de l’accepter en leur sein en leur fournissant gratuitement un véhicule : l’un des corbillards de son oncle.

Malgré la vidéo prise dans le tunnel, le scepticisme du public l’emporte encore. Mais, toujours provoquée par un appareil mis au point par l’employé d’hôtel Rowan North, une nouvelle manifestation paranormale au Théâtre Mayhem lors d’un concert de heavy metal va permettre aux désormais quatuor de « chasseuses de fantômes » de capturer un spectre volant devant un large public, grâce à la manipulation coordonnée des derniers appareils qu’elles ont développés, comme les packs de proton et un piège à fantôme.

Après ce succès, la joie règne au modeste siège de « SOS Fantômes ». Elle est interrompue par la visite du sceptique professeur Heiss, nationalement connu comme démystificateur : il ne cherche qu’à être convaincu. Bien qu’Abby tente de l’en dissuader, Erin ne résiste pas au fait de vouloir prouver la véracité de leurs découvertes en libérant le spectre du Théâtre Mayhem. Celui-ci s’échappe en défenestrant le professeur. La police cherche alors à savoir ce qu’il s’est passé, mais deux agents du FBI embarquent le quatuor dans leurs véhicules pour les conduire auprès du maire de New York.

Le maire Bradley et son bras-droit Jennifer Lynch leur expliquent que, bien qu’informés de la nature des événements sur lesquels elles enquêtent, elle doit rester cachée au yeux du grand public. Ainsi, tout en les accusant officiellement d’être des arnaqueuses, les autorités n’apporteront leur soutien que de manière officieuse.

Leur enquête progresse d’un pas de géant lorsqu’elles découvrent que les fantômes apparaissent sur des alignements de sites (lignes d’énergies qu’elles avaient cité dans leur livre) qu’il faut charger pour créer un vortex et briser la barrière qui sépare le monde des spectres et le nôtre. Un croisement de lignes à New York se situe à l’hôtel Mercado dont Patty reconnaît l’employé Rowan North. Ce denier se suicide peu après l’arrivée de l’équipe de SOS Fantômes dans le soubassement où il avait mis au point ses propres appareils pour provoquer une quatrième apocalypse dont il serait le guide. Les chasseuses de fantôme sont, comme habituellement, délogées des lieux et désavouées par les autorités.

Mais le suicide de Rowan North faisait partie de son plan : il revient posséder Abby, puis finalement Kevin le réceptionniste. Sous cette forme, il active sa machine qui libère de leur dimension les fantômes qui attaquent Manhattan.