Suivant une narration pas franchement linéaire - et pour cause, puisque Miyazaki avoue volontiers que l'histoire s'est développée dans ses moindres détails tout au cours de la réalisation du film - le Voyage de Chihiro suit l'évolution du personnage de Chihiro, qui acquiert autonomie et force de caractère.

Assez capricieuse, elle accepte mal le déménagement qui lui fait abandonner ses amis. Au cours du trajet en voiture, sur l'insistance du père, ils prennent une direction qui les mènent jusqu'à une porte étrange. En dépit des réticences de leur fille, les parents s'engagent dans le tunnel qui débouche sur une ville bigarrée, désertée ; ils s'attablent à un restaurant où sont disposés toute sorte de mets appétissants. Chihiro, mal à l'aise, part explorer cet endroit étrange, et tombe sur un jeune garçon, Haku, qui lui intime l'ordre de quitter au plus vite les lieux.
La nuit tombe, une certaine forme de vie s'éveille dans la ville, des spectres font leurs apparitions ; la gamine, terrorisée, court rejoindre ses parents qu'elle découvre métamorphosée en cochons. Toute fuite est bientôt impossible. Haku vient à son aide, elle qui voit perdre peu à peu sa substance, et la mène à la maison de bains.
Chihiro, que Yubâba prive de son nom, ne lui laissant que 'Sen', le premier kanji, se met à travailler à l'établissement afin de lever la malédiction sur ses parents. Peu à peu, elle apprend à faire partie de ce monde fabuleux et déroutant, sa principale force étant sa gentillesse et sa volonté, jusque-là enfouies en elle et sera appéciée.

Ce film est donc le parcours initiatique d'une Chihiro qui, de triste et renfermée, devient volontaire en travaillant dur à la maison de bains que tient Yubâba. Cet établissement représente le lieu de vilégiature des divinités qui forment tout un bestiaire bizarroïde, issus pour un certain nombre, du folklore japonais.