Le jeune photographe Yaniv « Nev » Schulman vit avec son frère Ariel à New York. Abby Pierce, une enfant artiste prodige de 8 ans de la région rurale d’Ishpeming, dans le Michigan, envoie à Nev une peinture d’une de ses photos. Ils deviennent amis sur Facebook, ce qui s’élargit à la famille d’Abby, notamment sa mère Angela (Wesselman), le mari d’Angela, Vince, et la séduisante demi-sœur aînée d’Abby, Megan, qui vit à Gladstone, dans le Michigan.
Pour un documentaire, Ariel et Henry Joost filment Nev alors qu’il entame une relation en ligne avec Megan. Elle lui envoie des MP3 de reprises de chansons qu’elle interprète pour lui, mais Nev découvre qu’ils sont tous tirés de performances sur YouTube. Il trouve ensuite des preuves qu’Angela et Abby ont menti sur d’autres détails de la carrière artistique d’Abby. Ariel incite Nev à poursuivre la relation pour le documentaire, bien que Nev semble réticent à continuer. Les frères et sœurs décident de se rendre dans le Michigan afin de faire une apparition impromptue chez les Pierce et de confronter Megan directement. Lorsqu’ils arrivent à la maison, Angela met un certain temps à répondre à la porte, mais elle est accueillante et semble heureuse de rencontrer enfin Nev en personne. Elle lui annonce également qu’elle a récemment commencé une chimiothérapie pour un cancer de l’utérus. Après avoir laissé plusieurs messages en essayant d’appeler Megan, Angela conduit Nev et Ariel pour qu’ils aillent voir Abby en personne. En discutant seul avec Abby et son amie, Nev apprend qu’Abby ne voit jamais sa sœur et qu’elle peint rarement.
Le lendemain matin, Nev se réveille avec un message texte de Megan disant qu’elle a un problème d’alcoolisme de longue date et qu’elle a décidé d’entrer en cure de désintoxication et ne peut pas le rencontrer, ce qui est confirmé par l’un des amis Facebook de Megan, mais Nev réalise qu’il s’agit probablement d’un autre mensonge d’Angela. Après avoir rencontré la famille chez elle, Angela admet que les photos de Megan sont celles d’un ami de la famille, que sa fille Megan est vraiment en cure de désintoxication dans le sud de l’État et qu’Angela a vraiment peint chacune des peintures qu’elle a envoyées à Nev. Nev réalise ainsi que, tout en croyant parler à Megan, c’était en réalité Angela qui se faisait passer pour elle avec un autre compte Facebook et un autre téléphone portable. Alors qu’il s’assoit pour un dessin, Angela confie que les différents profils Facebook étaient tous gérés par elle, mais que grâce à son amitié avec Nev, elle a renoué avec le monde de la peinture, qui était sa passion avant qu’elle ne sacrifie sa carrière pour épouser Vince – qui a deux enfants gravement handicapés mentaux qui nécessitent des soins constants. Grâce à une conversation avec Vince lui-même, la fratrie apprend qu’Angela lui avait dit (faussement) que Nev payait ses peintures, et qu’il l’avait encouragée à saisir l’opportunité de l’avoir comme mécène.
Vince, en parlant avec Nev, raconte l’histoire de la façon dont les morues vivantes étaient expédiées en même temps que les poissons-chats dans les mêmes bassins pour garder les morues actives, et ainsi assurer la qualité des poissons. Il explique ensuite que c’est une métaphore sur la façon dont il y a des gens dans la vie de chacun qui les gardent alertes, actifs et toujours en train de penser. Il est sous-entendu qu’il croit qu’Angela est une telle personne.
Quelque temps après, Nev reçoit un colis étiqueté comme étant d’Angela elle-même ; il s’agit du dessin achevé sur lequel elle a peiné pendant leur rencontre, bien que Nev semble ambivalent dans ses sentiments à ce sujet.
Un texte à l’écran informe ensuite le spectateur qu’Angela n’a pas eu de cancer, qu’il n’y avait pas de Megan à Dawn Farms et qu’elle ne connaît pas la fille sur les photos. Au cours de leur correspondance de neuf mois, Angela et Nev ont échangé plus de 1 500 messages. Il a été révélé plus tard que la fille sur les photos était Aimee Gonzales, un mannequin et photographe professionnel, qui vit à Vancouver, Washington, avec son mari et ses deux enfants. En octobre 2008, deux mois après les événements, Ronald, l’un des fils jumeaux de Vince, est décédé. Angela a désactivé ses 15 autres profils et a remplacé son profil Facebook par une photo d’elle-même. Elle possède désormais un site Web pour se promouvoir en tant qu’artiste. Nev est toujours sur Facebook et compte plus de 732 amis, dont Angela.