能源部实验失败，放出一只怪物。怪物杀害一名科研人员后逃出霍金斯国家实验室，并袭击了归家途中的少年威尔·拜耶斯。威尔母亲乔伊发现儿子失踪后报案，警长霍普受理案件，在勘察过可能的案发地段后初出头绪。寻子无果而几近崩溃的乔伊接到一通不明电话后更加歇斯底里。快餐店老板接纳不明身份的女孩“十一”，并打电话给社工求助，却被上门的能源部人员杀害。十一在逃跑的过程中遇到前来寻找威尔的迈克、达斯汀和卢卡斯。
迈克瞒着家长收留十一，两个死党见识到十一的超能力以及她跟威尔的潜在联系后也对她放下成见。十一的幽闭恐惧症诱发其对实验室经历的回闪。能源部继续追捕十一。霍普在威尔失踪案的侦办过程中再接快餐店命案，尝试将两案联系起来，但频繁的案件让他倍感压力。乔伊买来新电话坐等威尔来电，但超自然现象再现且较上次更为剧烈。乔纳森为寻找威尔跟父亲朗尼交涉，其后又带夜视相机寻找线索，恰逢南茜跟同学的派对。派对上被冷落的芭比随瞬间异象消失，南茜初尝禁果。
迈克等人决定带上十一再去寻找威尔。十一独处时常受外物影响而断续回忆起实验室经历。乔纳森被史蒂夫等人当作偷拍狂并遭到羞辱，南茜看到照片后到乔纳森蹲守的树林里寻找芭比，却意外看见怪物，遂求助于家长。维勒太太探望乔伊，霍利看见墙上的怪物。乔伊用彩灯跟威尔“交流”，在威尔指示下躲过了怪物。霍普欲搜查能源部，以发掘威尔失踪案的线索，却被对方推搪应付。他从旧卷宗里发现能源部负责人布伦纳曾遭到实验虐待指控，随后却获悉州警寻得威尔的尸体。迈克不能接受威尔已死的事实遂向十一释放情绪。
乔伊坚信威尔还活着，不承认州警寻获的尸体，并与乔纳森发生争吵。迈克三人发现十一能接收威尔的信号，遂带她到学校借助“希斯无线电”寻找威尔，期间教训了恶霸特洛伊。能源部派遣人员探索异度空间，却以折损人员收场。南茜对史蒂夫的冷漠感到失望，随后在照片中发现怪物的身影后去找乔纳森。乔纳森因而对乔伊释怀，还就偷拍举动向南茜敞开心扉。两人确信威尔和芭芭拉还活着。迈克等人借助十一的超能力听到威尔跟乔伊的对话。朗尼回家安慰乔伊。霍普盘问州警后发现威尔尸体是假的，于是夜探能源部。
霍普夜探能源部被制服，醒来发现自己被送回家中，家里还被安装窃听器。能源部初步掌握十一的行踪。乔伊发现朗尼回家只为领取保险金，于是将其赶出家门。霍普找到乔伊，透露自己被监听的情况，并对乔伊所述经历表示肯定，让乔伊惊喜又感激。迈克三人组欲寻找逆世界入口，十一要远离实验室所以干扰众人的指南针。卢卡斯跟迈克发生争执，十一回忆起恐怖的实验经历后离开现场。南茜和乔纳森去寻找怪物。南茜身陷逆世界，乔纳森没有察觉逆世界入口。
乔纳森救出南茜，两人准备再次捕捉怪物。史蒂夫认为南茜移情于是抹黑她。乔纳森跟史蒂夫斗殴被捕。霍普和乔伊去寻找曾因女儿失踪而状告布伦纳的泰芮，却发现泰芮已经精神失常。他们还获悉泰芮参加秘密实验和怀孕的经历，并采信泰勒看似荒诞的言论。迈克尔想和卢卡斯和解，卢卡斯不从，并独自寻找逆世界的入口。迈克尔跟达斯汀在寻找十一途中遭特洛伊寻仇，十一救下两人，并坦白是自己打开逆世界的入口。能源部得知十一被迈克尔等人匿藏，于是派出大队人马前去抓捕十一。
能源部追捕迈克三人组和十一失败，布伦纳恐吓维勒太太说出迈克可能匿藏的去处并再次派人展开追捕。史蒂夫冷静后自觉有负于南茜，主动清除涂鸦。霍普和乔伊到警局处理乔纳森斗殴之事，却发现他和南茜购置了猎熊装备，四人就怪奇事件达成共识。霍普从特洛伊的报案描述中得知十一就是泰芮的女儿，还和迈克等人一起。他随后通过无线电找到并解救孩子们。十一借助众人造出感官剥夺池通灵于逆世界，发现芭芭拉已死，威尔则尚有一线生机。霍普和乔伊要到逆世界的入口却再次被能源部制服。威尔在逆世界里的“拜耶斯堡”唱歌壮胆，怪物破门而入。
霍普跟能源部达成协议，能源部允许他和乔伊到逆世界寻找威尔，但两人必须保守一切秘密。当两人启程后，能源部倾巢追捕十一。乔纳森和南茜欲以血引诱怪物，却被上门道歉的史蒂夫打乱部署，三人合力烧伤怪物。迈克尔向十一示爱。能源部人员包围起孩子们。十一杀死包围者却因见血引来怪物，布伦纳恶有恶报。十一为救迈克尔等人跟怪物同归于尽。霍普在帮助乔伊寻子的过程中不断回忆起亡女，最后两人找到威尔并把他救活。三人组喜迎威尔归来并向他诉说一系列冒险经历和十一的事。霍普被黑衣人带走。整个小镇的人欢度圣诞。南茜送乔纳森相机，她最后还是原谅并选择了史蒂夫。孩子们再度欢乐地玩起龙与地下城，迈克想起十一。霍普把聚会上的食物放到幽暗密林里的一个盒子里。威尔回家后再现幻觉并吐出怪虫，但为了安慰家人而假装没事，拜耶斯家过上一个美满的圣诞节。
