Film The Autopsy of Jane Doe bercerita tentang sesosok mayat gadis muda cantik tanpa identitas diberi sebutan Jane Doe (Olwen Catherine Kelly), ditemukan di sebuah TKP dalam keadaan telanjang bulat dan setengah terkubur di ruang bawah tanah, kasus pembunuhan misterius. Dibuka dengan kasus pembunuhan satu keluarga yang begitu janggal sampai penemuan mayat perempuan terkubur di ruang bawah tanah. Keluarga ini terbunuh dengan meninggalkan petunjuk-petunjuk yang sulit dipahami.
Mereka tidak menunjukkan perlawanan, maupun tindak kekerasan yang mengantarkan pihak polisi kepada sang pelaku. Sebaliknya, setiap anggota keluarga yang menjadi korban terkesan untuk mencoba keluar dari rumah. Pihak polisi pun tidak menemukan tanda-tanda orang yang masuk ke dalam rumah, apalagi tanda-tanda upaya masuk secara paksa.
Terlebih penemuan mayat perempuan yang terkubur dan terlihat awet di dalam tanah. Pihak polisi pun segera mengirimkan mayat perempuan tersebut ke rumah otopsi dan kremasi keluarga Tilden untuk mendapatkan informasi dari mayat perempuan tersebut. Singkat cerita, Tony dan Austin pun melakukan otopsi terhadap mayat perempuan yang sementara disebut dengan Jane Doe. Namun, mereka pun menemukan berbagai kejanggalan sehingga menyulitkan mereka untuk mengetahui apa yang sebenarnya terjadi pada Jane.