"Brain on Fire" mengishkan seorang jurnalis New York Post, Susannah Cahalan (Chloe Moretz) mengalami masalah gangguan kesehatan. Setelah didiagnosis dia mengalami gangguan langka yang akan membuat dia mengalami kejang-kejang, mendengar suara-suara hingga pingsan. Selama berminggu-minggu dia harus berada di Rumah Sakit melakukan berbagai rangkaian pemeriksaan. Hingga suatu hari Susan terbangun di Rumah Sakit tanpa mengingat seluruh kejadian pada saat dia sakit.