Анна Фокс, детский психолог, страдает от тяжелой формы агорафобии, затворничеством в своем просторном таунхаусе в Гарлеме, Нью-Йорк. Ее мир ограничен стенами дома, а связь с внешним миром поддерживается посредством телефонных звонков мужу Эду, с которым она находится в стадии раздельного проживания, онлайн-терапии с доктором Ландри, и алкоголя, щедро разбавляющего ее таблетки. Большая часть ее времени проходит в наблюдении за соседями через объектив фотоаппарата и просмотре старых фильмов, которые она часто пересматривает, погружаясь в ностальгию и пытаясь отвлечься от собственных травм.
В ее обозрение попадает новая семья, переехавшая в дом напротив – Расселы. Анна сразу отмечает их внешнюю привлекательность и кажущееся благополучие: Алаистер, уверенный и обходительный отец, Джейн, его эффектная, но слегка отстраненная жена, и Итан, их застенчивый и замкнутый сын-подросток. Однажды вечером, наблюдая за Расселами, Анна становится свидетельницей жестокого нападения. Она видит, как Джейн получает смертельное ножевое ранение. В ужасе и панике Анна звонит в полицию и сообщает о преступлении.
Однако, когда прибывают детективы, их встречает Алаистер Рассел и… Джейн. Новая Джейн, совсем другая женщина, отрицает, что на нее нападали, и утверждает, что Анна ошибается. Полиция, скептически относящаяся к словам Анны, принимает во внимание ее психическое состояние, ее пристрастие к алкоголю и лекарствам, а также отсутствие каких-либо доказательств преступления. Анна, в свою очередь, пытается доказать, что видела именно то, что видела, и что Расселы что-то скрывают.
Анна начинает собственное расследование, отчаянно пытаясь найти хоть какие-то подтверждения своим словам. Ее паранойя усиливается, грань между реальностью и галлюцинациями становится все тоньше. Она сталкивается с Итаном, который намекает на то, что знает правду о том, что произошло в доме Расселов. Итан признается Анне, что его отец жестоко обращался с ним и с его матерью. Анна начинает верить, что Алаистер причастен к смерти Джейн.
По мере того как Анна углубляется в расследование, раскрываются все более мрачные секреты Расселов и ее самой. Становится ясно, что Анна страдает не только от агорафобии, но и от глубокой травмы, связанной с трагической гибелью ее семьи в автомобильной аварии, случившейся год назад. Зрители узнают, что Анна винила себя в этой трагедии, поскольку она была за рулем в момент аварии. Алкоголь и лекарства являются способом заглушить ее чувство вины и боли.
Кульминация наступает, когда Алаистер проникает в дом Анны. Он оказывается не тем, кем кажется, — он опасный психопат, сменивший имя и скрывающийся от прошлого. Он угрожает Анне, пытаясь заставить ее замолчать. В этот момент появляется Итан, который, как выясняется, и есть настоящий убийца. Он убил настоящую биологическую мать, когда был маленьким, а теперь затаил злобу и на новую «мать», и на отчима, поскольку они постоянно переезжали, скрываясь от полиции. Между Анной и Итаном происходит отчаянная борьба, в ходе которой Анна получает тяжелое ранение, но в конечном итоге ей удается победить Итана и вытолкнуть его из окна.
После этой схватки Анна начинает постепенно выздоравливать. Она перестает пить и принимает помощь. Она решает продать свой таунхаус и начать новую жизнь, освободившись от прошлого и страхов, которые так долго держали ее в плену. В финале фильма Анна отправляется в путешествие, оставляя позади кошмары «Женщины в окне», и обретает надежду на будущее.
