Dans les bois de la petite ville d'Hemlock Grove en Pennsylvanie, près de l'aciérie abandonnée de la société Godfrey, est retrouvé le corps mutilé et sans vie d'une jeune fille. Une chasse à l'homme s'ensuit mais une question demeure sur les lèvres des policiers : « Est-ce l'œuvre d'un homme ou d'un animal ? ». Ceux qui le savent préfèrent le garder secret. Peter Rumancek, un jeune Gitan cachant un sombre secret de famille, emménage dans la ville avec sa mère. Roman Godfrey est un garçon mystérieux, obsédé par le sang et héritier de la société de son père actuellement gérée par son horrible mère, Olivia Godfrey. Roman doit aussi faire face à de nombreux problèmes comme sa cousine, Letha, qui dit être tombée enceinte d'un ange ou encore aider sa petite sœur, Shelley, souffrant d'horribles difformités. Les deux garçons que tout oppose vont se rapprocher à la suite de ce meurtre, bien décidés à découvrir l'auteur du crime. Parallèlement, Olivia et son beau-frère Norman, tentent de cacher les étranges expériences scientifiques effectuées par le Dr Johann Pryce au sein de la société Godfrey.