1917. Elsie Wright, une petite fille de 12 ans et sa cousine Frances Griffiths dont le père est porté disparu, affirment avoir vu des fées dans la ravine voisine du petit village de Cottingley dans le Yorkshire. Polly, la mère d'Elsie, encore sous le choc du décès de Joseph, son fils aîné, sera convaincue lorsque les deux enfants lui apporteront des photos de fées volant à leurs côtés. Elle contacte alors E.L.Gardner, membre de la société de Théosophie qui prévient aussitôt Sir Arthur Conan Doyle, passionné par tout ce qui touche au surnaturel. L'écrivain offre des appareils photos aux fillettes qui réussissent à prendre d'autres clichés authentifiés par les experts de Kodak. En dépit de la polémique engagée avec son ami, le magicien Houdini, Conan Doyle fait publier les documents dans la presse et publie un ouvrage sur le sujet. Une foule de curieux envahit alors le village et certains journalistes peu scrupuleux tentent de prouver une supercherie. Après une dernière visite à leurs deux amies, les fées s'envolent vers des endroits plus paisibles tandis que le père de Frances revient miraculeusement du front.