Il met en scène une photographe du nom de Rei Kurosawa, qui après la mort de son fiancé dans un accident de voiture, décide d'aller faire un reportage dans un vieux manoir. Ledit manoir serait, d'après les rumeurs, hanté. Lors des prises de vues dans le manoir, le fantôme de Yuu, le fiancé décédé de Rei, apparaît dans le viseur de l'appareil photo. Troublée, Rei se met à la poursuite de Yuu et se retrouve au sol encerclée par quatre fillettes qui lui plantent des clous dans les pieds et les mains. Dans ce troisième volet, on retrouve Miku Hinasaki, qui apparaissait dans le premier volet. Cette dernière est devenue l'assistante de Rei et habite chez elle. Project Zero 3 met en scène trois personnages, à savoir Rei, Miku et Kei Amakura ( l'oncle de Mio et Mayu ), chacun effectuant une mission indépendamment. Rei s'aperçoit à la fin de chaque mission qu'un tatouage bleu représentant un serpent lui recouvre progressivement le corps lorsqu'elle se réveille. Le jeu reprend les ingrédients des premier et deuxième volets, à savoir l'utilisation de la caméra Obscura. À la différence des deux premiers volets, les personnages évoluent dans la maison de Rei en plein jour et ne peuvent se rendre dans le manoir que pendant leur sommeil.