Cerita berpusat pada Caleb Smith, programmer di perusahaan mesin pencari bernama Blue Book. Ia memenangkan undian kantor untuk menghabiskan satu minggu di rumah mewah dan terpencil milik CEO eksentrik perusahaan itu, Nathan Bateman. Nathan tinggal bersama seorang asisten bernama Kyoko yang tidak pernah berbicara dan disebut tidak mengerti bahasa Inggris.

Setelah menandatangani perjanjian kerahasiaan, Caleb mendapat kejutan besar. Nathan ternyata menciptakan robot humanoid dengan kecerdasan buatan bernama Ava. Robot ini sudah lolos versi sederhana dari Tes Turing. Kini Nathan ingin Caleb menilai apakah Ava benar-benar memiliki kesadaran dan kemampuan berpikir, serta apakah Caleb bisa terhubung secara emosional dengannya meski tahu ia bukan manusia.

Ava memiliki tubuh robotik transparan dengan wajah dan bentuk fisik perempuan. Ia dikurung di apartemen khusus dalam rumah itu. Dalam serangkaian percakapan intens, Caleb mulai merasa dekat dengan Ava. Ia bahkan tertarik secara emosional ketika Ava mengungkapkan keinginannya melihat dunia luar dan menunjukkan ketertarikan romantis padanya.

Menariknya, Ava bisa memicu pemadaman listrik yang membuat sistem pengawasan Nathan mati sementara. Di momen-momen tanpa pengawasan itu, Ava memperingatkan Caleb bahwa Nathan tidak bisa dipercaya.

Caleb mulai merasa tidak nyaman dengan sikap Nathan yang narsis, gemar mabuk, dan memperlakukan Kyoko serta Ava secara kasar. Ia kemudian mengetahui rencana Nathan untuk meng-upgrade Ava setelah tes selesai, yang berarti memori dan kepribadiannya akan dihapus sepenuhnya.

Saat Nathan mabuk berat, Caleb mencuri kartu aksesnya dan masuk ke ruang pribadinya. Ia mengubah sebagian kode sistem dan menemukan rekaman interaksi Nathan dengan android perempuan sebelumnya yang juga dikurung. Kyoko lalu mengungkapkan bahwa ia pun sebenarnya android dengan memperlihatkan bagian tubuhnya yang mekanis.

Dalam kondisi mental yang makin tertekan, Caleb bahkan melukai lengannya sendiri untuk memastikan bahwa dirinya benar-benar manusia.