Fotografer muda Nev Schulman tinggal bersama saudaranya, Ariel, di New York City. Suatu hari, Abby Pierce, bocah perempuan berusia 8 tahun yang dikenal sebagai seniman cilik berbakat dari daerah pedesaan Ishpeming, Michigan, mengirimkan lukisan berdasarkan salah satu foto milik Nev.

Dari situ, mereka berteman di Facebook, lalu hubungan itu meluas hingga melibatkan keluarga Abby, termasuk ibunya, Angela Wesselman, suaminya Vince, serta kakak tirinya yang cantik dan lebih dewasa, Megan, yang tinggal di Gladstone, Michigan.

Untuk kebutuhan film dokumenter, Ariel dan Henry Joost merekam perjalanan Nev saat ia mulai menjalin hubungan secara online dengan Megan. Megan mengirimkan file MP3 berisi lagu-lagu cover yang ia nyanyikan khusus untuk Nev, tetapi belakangan Nev mengetahui bahwa semua rekaman itu ternyata diambil dari penampilan orang lain di YouTube.

Ia kemudian menemukan bukti bahwa Angela dan Abby juga berbohong soal beberapa detail lain mengenai karier seni Abby. Meski Nev tampak ragu untuk melanjutkan hubungan tersebut, Ariel justru mendorongnya tetap menjalani semuanya demi dokumenter. Akhirnya, mereka bertiga memutuskan pergi ke Michigan untuk datang mendadak ke rumah keluarga Pierce dan mengonfrontasi Megan secara langsung.

Saat tiba, Angela sempat lama membuka pintu, tetapi kemudian menyambut mereka dengan ramah dan terlihat senang akhirnya bisa bertemu Nev secara langsung. Angela juga mengaku baru saja memulai kemoterapi karena kanker rahim.

Setelah berulang kali meninggalkan pesan saat mencoba menelepon Megan, Angela membawa Nev dan Ariel untuk menemui Abby. Dari obrolan empat mata dengan Abby dan temannya, Nev mengetahui bahwa Abby hampir tidak pernah bertemu kakak perempuannya dan jarang melukis.

Keesokan paginya, Nev terbangun oleh pesan dari Megan yang mengatakan bahwa ia sudah lama punya masalah alkohol dan memutuskan masuk rehabilitasi, sehingga tak bisa menemuinya. Cerita itu bahkan dibenarkan oleh salah satu teman Facebook Megan.

Namun, Nev sadar bahwa hal itu kemungkinan besar hanyalah kebohongan lain dari Angela. Saat kembali bertemu keluarga itu di rumah mereka, Angela akhirnya mengakui bahwa foto-foto Megan sebenarnya milik teman keluarga mereka, sementara putrinya yang bernama Megan memang benar sedang menjalani rehabilitasi di wilayah lain.

Angela juga mengungkap bahwa semua lukisan yang selama ini dikirimkan kepada Nev sebenarnya ia buat sendiri. Dari situlah Nev menyadari bahwa selama ini sosok 'Megan' yang ia ajak bicara ternyata adalah Angela yang menyamar menggunakan akun Facebook dan ponsel lain.

Saat Nev duduk untuk dibuatkan gambar, Angela mengaku bahwa berbagai profil Facebook itu semuanya ia kelola sendiri. Namun lewat pertemanannya dengan Nev, ia merasa kembali terhubung dengan dunia melukis, hal yang dulu sangat ia cintai sebelum mengorbankan kariernya demi menikah dengan Vince.

Vince sendiri memiliki dua anak dengan disabilitas mental berat yang membutuhkan perawatan terus-menerus. Lewat percakapan dengan Vince, Nev dan Ariel juga mengetahui bahwa Angela sebelumnya berkata, secara tidak benar, bahwa Nev membayar lukisan-lukisannya. Vince pun sempat mendorong Angela untuk memanfaatkan kesempatan tersebut karena mengira Nev bisa menjadi patron bagi karya-karyanya.