En ukjent kvinne blir funnet drept og brutalt lemlestet i en småby i Virginia. Samtidig begynner fryktelige og uforklarlige hendelser å hjemsøke eierne av likhuset pålagt å utføre obduksjonen. Patologen Tommy Tilden og sønnen Austin, finner bevis som tilsier at kvinnen skal ha blitt utsatt for gamle torturteknikker fra heksejaktens tid. Da de så blir fanget i likhuset på grunn av en grufull storm, befinner de seg snart i en kamp mot de onde kreftene som viser seg å være forflyttet fra den ukjente kroppen og inn i dem selv... "The Autopsy of Jane Doe" er regissert av André Øvredal, mannen bak "Trolljegeren".

Thelma har nettopp flyttet fra sin religiøse familie på Vestlandet for å studere i Oslo. På lesesalen får hun plutselig et voldsomt anfall. Samtidig treffer hun medstudenten Anja og de to blir trukket mot hverandre på mystisk vis. Thelma blir overveldet av følelser hun ikke tør å anerkjenne, anfallene blir flere og farligere, og legene har ingen forklaring. Hun velger å holde disse hendelsene skjult for sine foreldre. Skremmende og overnaturlige krefter presser seg frem og en dag forsvinner Anja sporløst.