העלילה של ״הנערה שבתמונה״ עוסקת ברצח של אישה צעירה בשם טוניה יוז, אשר יום אחד נמצא בצדי הדרך בעיר טולסה שבמדינת אוקלהומה. יוז הייתה בת עשרים בלבד במותה, והיא עבדה כחשפנית במשך מספר שנים. טוניה השאירה מאחור ילד בן שנתיים, ובעל המבוגר ממנה בעשרות שנים.
הדוקו החדש הצליח לכבוש את פסגת הדירוג והפך תוך זמן קצר לאחד הסרטים הנצפים ביותר בענקית הסטרימינג, כאשר הוא מותיר את קהל הצופים מזועזע ומופתע. לאחר שנמצאה גופתה של טוניה, קרוביה מנסים לאתר את אימה, על מנת להודיע לה על הטרגדיה, אז מתגלה כי זהו כלל לא שמה, אלא שם של תינוקת שנפטרה לפני שנים רבות.
עוד מתגלה כי עשרות אנשים הכירו את האישה הצעירה בשמות שונים לאורך הדרך, ואט אט אנו נחשפים לעוד ועוד סודות אפלים, שהופכים את הסיפור כולו לבלתי נתפס, אך שאלות רבות ממשיכות להטריד ולצוף - מדוע טוניה החליפה שמות כה רבים? ממה היא ניסתה לברוח? וכמובן, כיצד נרצחה?
בנה של טוניה נמסר לרשויות הרווחה, והסרט עוסק גם בו ובסיפורו האישי. התוצאה היא פסיפס טרגי ומזעזע של מציאות מעוותת שקשה להאמין שאכן קרתה, שאמנם די ברור כבר מההתחלה שלא יעניק לצופה סוף טוב, אך כן מצליח לענות על לא מעט שאלות ולפתור את התעלומה, לפחות ברובה.