Film aksi fiksi ilmiah Lucy mengikuti kisah Lucy, seorang mahasiswa asal Amerika yang sedang belajar di Taipei. Suatu hari, pacar barunya bernama Richard memaksanya mengantarkan sebuah koper berisi empat kantong obat sintetis bernilai sangat tinggi bernama CPH4 kepada seorang bandar narkoba asal Korea Selatan bernama Mr. Jang di Regent Taipei.

Setelah melihat Richard ditembak mati, Lucy ditangkap oleh para anak buah Jang dan dipaksa menjadi kurir narkoba. Salah satu kantong CPH4 dijahit ke dalam perutnya untuk diselundupkan ke Eropa. Namun ketika ia dipukul di bagian perut, kantong tersebut pecah sehingga obat itu masuk ke tubuhnya dalam jumlah besar.

Tanpa diduga, zat tersebut memberikan Lucy kemampuan fisik dan mental luar biasa. Ia memperoleh kekuatan seperti telepati, telekinesis, kemampuan menjelajah waktu secara mental, serta kehilangan emosi dan rasa sakit. Dengan kekuatan barunya, Lucy membunuh para penculiknya dan berhasil melarikan diri.

Lucy kemudian pergi ke Tri-Service General Hospital untuk mengeluarkan sisa kantong obat dari tubuhnya. Dokter yang mengoperasinya menjelaskan bahwa CPH4 sebenarnya secara alami diproduksi dalam jumlah sangat kecil oleh wanita hamil pada minggu keenam kehamilan untuk memberikan energi bagi perkembangan janin.

Seiring kemampuan Lucy yang terus berkembang, ia kembali ke hotel milik Mr. Jang, membunuh para pengawalnya, menyerangnya, dan menggunakan telepati untuk memaksa Jang mengungkap lokasi para kurir lain yang membawa tiga kantong CPH4 yang tersisa.

Lucy kemudian menghubungi seorang ilmuwan bernama Samuel Norman, yang selama ini meneliti kapasitas otak manusia. Penelitian Norman membantu Lucy memahami kondisi yang dialaminya. Lucy bahkan menunjukkan langsung kemampuan luar biasanya kepada Norman yang terkejut.

Ia juga mengatakan bahwa dirinya kemungkinan hanya memiliki waktu hidup sekitar 24 jam lagi. Saat Lucy bertanya apa yang harus ia lakukan dengan pengetahuan barunya, Norman menyarankan agar ia meneruskannya kepada umat manusia.

Lucy pun setuju dan terbang ke Paris untuk menemui Norman. Ia juga menghubungi kapten polisi setempat, Pierre Del Rio, agar membantunya menemukan tiga kurir narkoba lain yang membawa CPH4. Namun selama penerbangan, Lucy meminum sedikit sampanye yang memicu reaksi dengan obat dalam tubuhnya sehingga membuat sel-selnya menjadi tidak stabil. Untuk menghentikan proses tersebut, Lucy akhirnya mengonsumsi lebih banyak CPH4.