La película está ambientada en 2043, en la época en la que los humanos conviven con las máquinas. Álex (Daniel Brühl), un reputado ingeniero cibernético, regresa a su ciudad natal, Santa Irene, tras diez años de ausencia, a instancias de la Facultad de Robótica, dirigida por Julia (Anne Canovas), su antigua mentora. Julia le ha encargado que termine el SI-9, un robot construido para parecerse a un niño, un proyecto que Álex abandonó prematuramente después de trabajar en él con Lana (Marta Etura), su antigua amante, que ahora está casada con David (Alberto Ammann), su hermano, y ambos han dejado de investigar para enseñar.

Álex visita a Julia mientras ésta da clases a los alumnos en un laboratorio de robótica. Cuando un pequeño caballo robótico falla continuamente en sus pruebas, la pareja de estudiantes decide desmontarlo con la frase "¿Qué ves cuando cierras los ojos?". El robot cae al suelo, y Álex les amonesta suavemente, diciéndoles que aunque reinicien el robot, nunca será el mismo; la frase "mata" al robot destruyendo su memoria emocional, y por tanto, su alma.

Julia y Álex ven vídeos de niños, tratando de encontrar un niño adecuado para modelar el SI-9, pero Álex los considera demasiado ordinarios, y sólo harían un robot ordinario por poder. Cuando regresa a la casa de su difunto padre para completar su trabajo, se encuentra con el robot SI-7 Max (Lluís Homar), que ha sido enviado a cocinar y limpiar para él. Max se asusta con el gato robótico de Álex y se frustra cuando no escucha las órdenes; Álex le dice que es un "robot libre", una programación ilegal que le permite actuar como un ser sensible. Dejando a Max para que limpie, Álex se dedica a observar a los niños para encontrar un niño "único" en el que basar el SI-9. Le llama la atención la inusual Eva (Claudia Vega), una niña que se fija en él y le llama burlonamente pervertido cuando admite que la estaba observando. Él le pregunta si quiere ser la modelo de su robot, pero ella se niega.

David presiona a Álex para que le visite para cenar y, cuando llega, se sorprende al descubrir que Eva es en realidad la hija de Lana y su sobrina. Más tarde, Eva visita a Álex en su casa y le ayuda a modelar el SI-9 mediante el reconocimiento emocional. A Álex le divierten sus pequeñas rabietas y le muestra el SI-9 en acción. Más tarde esa noche, mientras Lana le da un baño a Eva, ésta le pregunta por Álex; Lana le cuenta que tanto ella como David se sintieron heridos y entristecidos cuando Álex se marchó abruptamente en medio del proyecto del SI-9. Eva le pregunta si quería a Álex como a David, y Lana responde que sí, "más o menos".

Álex le pregunta a Julia si el proyecto SI-9 debería ser modelado por una chica y no por un chico, aunque Julia le advierte de los efectos secundarios emocionales negativos del cambio. Álex también se reúne con Lana, que dice que no quiere que Eva esté en el proyecto de Álex. Más tarde, David invita a Álex a la próxima fiesta de graduación, y da a entender que sabe que Lana fue el primer amor de Álex y que sospecha que hay sentimientos persistentes entre los dos. Álex va a patinar sobre hielo con Eva, y ella le lleva a un acantilado para ver la ciudad antes de señalarle su propia casa; le dice que David y Lana no viven juntos. Sin embargo, Álex se da cuenta de que está mintiendo cuando va a visitar a Lana y David vuelve a casa. Él le pregunta a Eva por qué ha mentido y ella le dice que es porque es lo que él quería oír.

Mientras experimenta con él, el SI-9 se vuelve hostil a Álex después de que éste se ría de él de la misma manera que Eva se alteró. El SI-9 se niega a obedecer las órdenes de Álex, y cuando le lanza un cincel con furia después de que se niegue a dejarlo marchar, él dice la frase de matar y "muere", junto con todo su trabajo en él, frustrándolo. Más tarde acude a la fiesta de graduación, donde le esperan Lana y David; baila lentamente con Lana, para enfado de David, que se marcha. Lana se lleva a Álex con ella para buscarlo, pero cuando Álex la besa impulsivamente, ella se marcha, turbada. David, que ha visto el beso, ataca a Álex y le dice que ya abandonó a Lana una vez, y que debería irse.

Un Álex decepcionado le dice a Julia que va a dejar el proyecto, y ella le acusa de dejar otro proyecto a medias. También visita a Eva para decirle que se va, lo que la disgusta. Mientras recoge sus cosas en su casa, Álex recibe la visita de Lana, que le dice que no quiere que se vaya; se besan, y después de que Eva se acerque a verlos a través del techo de cristal del laboratorio, Eva ve cómo Lana le dice que Eva "se parece a nosotros porque los dos la hicimos". Perturbada, Eva sale corriendo. Lana la persigue, pero le dice a Álex que espere en la casa a que vuelva.

Lana encuentra a Eva inconsciente en la nieve y abre un panel en su espalda, revelando que Eva no es su hija y la de Álex, sino un robot, y el producto de su investigación sobre el SI-9 (literalmente hecho por ellos). Le pone un frasco de líquido en la espalda y Eva recupera la conciencia, pero Eva está asustada y es hostil; cuando Lana intenta agarrarla, Eva la empuja, y Lana cae por el lado del acantilado. Eva vuelve sola a casa de Álex y se desmaya en sus brazos cuando éste le abre la puerta. Por la noche, Álex recibe una llamada de David para informarle de que Lana está en el hospital, y él y Eva van en coche hasta allí, donde llegan unos minutos antes de que Lana muera.

Eva le dice a Max en privado que ha empujado a Lana, y Max se lo transmite a Álex. Julia visita a Álex y le cuenta que Lana terminó el proyecto SI-9 después de que él se fuera, pero Eva no pudo pasar la prueba de seguridad y por lo tanto no se consideró lo suficientemente segura para usarla; a pesar de esto, Lana insistió en quedarse con Eva, y Julia lo permitió. Julia le dice a Álex que Eva no puede seguir viviendo, y aunque Álex insiste en que sólo es una niña, Julia le recuerda que ella mató a Lana. Julia se ofrece a "matar" a Eva, pero Álex le dice que lo hará él.

Álex ve a Eva patinar por última vez con Max, y él y David se abrazan por la pérdida compartida de Lana. Esa noche, Álex lleva a Eva a su habitación, preparándose para desmantelarla; Eva le pide a Álex que se asegure de que no vuelva a hacer nada "malo", pero rápidamente se da cuenta de que no puede arreglarla. Álex abraza con fuerza a la asustada Eva antes de decir la frase de matar, que acaba con su programación inmediatamente. Álex mira a la Eva muerta con lágrimas mientras la cámara retrocede, mostrando las "bombillas" de la memoria emocional de Eva rompiéndose. La película termina con Eva narrando su sueño moribundo, lo que "ve" en respuesta a la frase asesina: jugar en una playa para siempre, con Álex y Lana.