Emily Rose é uma jovem católica que sai do campo para ingressar na universidade. A mudança que parecia para melhor, se transforma em um pesadelo. Um dia, sozinha em seu quarto no alojamento, ela tem uma alucinação e logo perde a consciência. As visões e comportamentos estranhos se tornam cada vez mais freqüentes e são presenciados por diversas pessoas. A ciência define tais eventos como uma epilepsia com tendências para a psicose. O estudo, entretanto, parece não conseguir a cura e a garota, em busca do alívio para o sofrimento, aceita ser submetida a uma sessão de exorcismo.

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Em uma rara decisão da igreja católica, a instituição reconhece oficialmente a possessão demoníaca da jovem e decide fazer O Exorcismo de Emily Rose. A sessão não sai como esperada e o sacerdote da paróquia, o padre Richard Moore, acaba acusado de assassinato. Uma famosa advogada, Erin Bruner (Laura Linney), concorda a contragosto em representar o padre Moore na justiça, em troca de um ganho pessoal. No tribunal, o cinismo e o ateísmo de Bruner são confrontados com a fé inabalável de seu cliente.

O filme é inspirado na história real de Anneliese Michel, uma jovem alemã que passou pela mesma situação de Emily Rose nos anos 70. As cenas da personagem possuída são apresentadas em flashback e de diversas perspectivas, para que o espectador possa concluir por si só o que aconteceu com a garota. O filme não traz uma resposta que contraponha a fé ou a razão.