Todo empieza con una muñeca que flotando abre una puerta. La muñeca se acuesta en una mesa y luego dos manos ( con dedos de agujas de coser metálicas) la descosen y le quitan el relleno. Éstas manos la rellenan otra vez y la visten, le ponen ojos de botón, una nariz y una boca.

Coraline Jones es una niña que acaba de mudarse junto a sus padres a una vieja casa que fue dividida en departamentos, esta casa se encontraba en "Pink Palace Apartments". Dado que sus padres están muy ocupados con su trabajo, Coraline empieza a explorar la casa y alrededores, conociendo a varios y excéntricos vecinos como el señor Bobisky, un excéntrico acróbata ruso y entrenador de "Mushkas" (ratas), las señoritas Spink y Forcible, dos actrices retiradas y Wybie, el nieto hablador de la dueña de la casa en la que vive Coraline. Wybie le regala a Coraline la muñeca que había salido en la secuencia de apertura de la película (la muñeca está vestida igual que Coraline y tiene dibujado su rostro), diciéndole que la encontró en el cajón de su abuela y que se la regalaba porque se parece mucho a ella. Coraline también descubre una antigua puerta pequeña, escondida por el papel tapiz, la cual tras ser abierta (usando una llave de botón) resulta estar tapada con ladrillos.

Esa misma noche, Coraline es guiada por unos ratones ante la misma puerta, la cual resulta tener una especie de pasadizo que lleva a un mundo paralelo, llamado "el otro mundo", habitado por su Otra Madre y su Otro Padre, copias casi exactas de sus padres, con la excepción de tener botones negros por ojos. Otra diferencia es que siempre tienen tiempo para ella, y de esa manera Coraline decide quedarse esa noche en el otro mundo, despertando en el verdadero a la mañana siguiente.

Una entusiasmada Coraline comienza a visitar cada noche el otro mundo, en el que encuentra versiones alternativas de sus verdaderos vecinos. Durante una visita Coraline se encuentra con el gato negro de su realidad, pero este, no tiene botones en lugar de ojos y, que está dotado con la capacidad de hablar, con la que le advierte del peligro que corre en el lugar, aunque no le presta mucha atención. Después de tres noches, la otra madre le ofrece a Coraline la oportunidad de quedarse en el otro mundo para siempre, con la condición de dejarse coser botones en los ojos. Confundida y algo aterrada, Coraline se niega y decide volver a casa durmiendo, pero no puede, así que se enfrenta a la otra madre diciéndole que quiere volver a casa y diciendo que ella no era su madre real, lo que provoca que ésta se transforme en un horrible ser, y la encierre en un espejo.

Allí se encuentra con los fantasmas de tres niños que han perdido sus ojos y almas a manos de la Otra Madre. Con la ayuda del Otro Wybie (quien es mudo), Coraline escapa hasta su hogar. Una vez en casa, los padres de Coraline nunca se presentan y el gato le muestra vía un espejo que sus padres han sido secuestrados por la Otra Madre en castigo por rehusarse a vivir con ella. En un principio Coraline intenta persuadir a Wybie de ayudarla, pero este la cree loca y la rechaza. Sin más remedio que regresar al otro mundo, y armada con "El caramelo del ojo" (un caramelo endurecido), que es como una piedra mágica que tiene forma de planchette de una tabla ouija, otorgada por Spink y Forcible y que sirve para ver los objetos perdidos. Coraline se dispone a rescatar los fantasmas de los niños y a sus secuestrados padres.

Siguiendo un consejo del gato, la protagonista desafía a su Otra Madre a un juego. Si Coraline puede encontrar a sus padres y los ojos de los niños fantasmas, todos podrán irse; si pierde ella se quedará en el otro mundo para siempre y se dejará coser los botones en sus ojos. Con la ayuda de la piedra mágica, el gato negro y del sacrificio del Otro Padre, Coraline burla a las versiones malvadas de los vecinos guardianes de los ojos y descubre que el otro Wybie fue desintegrado por traidor. Sabiendo que la Otra Madre no cumplirá su palabra, Coraline engaña a la bruja, para que abra la puerta secreta al mundo real, mientras toma una esfera de nieve  en la que sus padres resultan estar encerrados. Coraline lanza al gato a la Otra Madre, haciendo que éste le sacara los ojos de botón dejándola ciega, convirtiendo todo el Otro Mundo en una telaraña. Coraline valerosamente escapa junto al gato, cerrando la puerta hacia el otro mundo en la ahora dañada mano mecánica de la Otra Madre. Coraline cierra la puerta en el mundo real y se encuentra con sus padres sanos y salvos, sin recuerdo alguno de dicha experiencia.

Al llegar la noche, Coraline es visitada por los fantasmas de los tres niños por última vez, quienes le advierten que ella seguirá en peligro mientras conserve la llave de botón que abre la puerta al otro mundo. Para evitar que la Otra Madre siga secuestrando niños, Coraline decide arrojar la llave al fondo de un pozo (el cual no existe en el otro mundo), localizado en la propiedad. La ampuntada mano de la otra madre, que ha podido cruzar al mundo real, ataca a Coraline, pero es destruida por Wybie quien ha descubierto la verdad por sí solo y ha decidido ayudar a su amiga. Los pedazos de la mano y la llave son arrojados al pozo, que después es tapado.

Terminada la tarea, Coraline, dispuesta a pasar el tiempo con sus padres, organiza una fiesta en el jardín de atrás del Pink Palace, en la cual invita a todos los vecinos. La película cierra con Coraline presentándose con la abuela de Wybie (quien había perdido a su hermana por culpa de la Otra Madre) y disponiéndose a contarle su historia.