El programador Caleb Smith, que trabaja para la empresa dominante de motores de búsqueda Blue Book, gana un concurso de oficina para visitar durante una semana la lujosa y aislada casa del director general, Nathan Bateman. Nathan vive en una moderna casa junto a una cascada y colinas de escalada y está solo, aparte de una sirvienta llamada Kyoko, que según Nathan no habla inglés. Tras la llegada de Caleb, Nathan le revela que ha construido un ginoide llamado Ava con inteligencia artificial. Tras preguntarle a Caleb si está familiarizado con el test de Turing, Nathan le dice que quiere que juzgue si Ava es realmente capaz de pensar y tener conciencia a pesar de saber que es artificial. Además, la prueba será superada si Caleb olvida que Ava no es humana durante sus sesiones diarias.

Ava tiene un cuerpo robótico pero un rostro, manos y pies de aspecto humano. Está confinada en su celda aislada. Caleb está fascinado con Ava, pero después de intentar discutir el diseño tecnológico de Ava con Nathan, éste le pide que sólo le diga lo que "siente" por ella. A lo largo de sus conversaciones, Caleb comienza a sentirse atraído por Ava. Ella parece corresponder a estos sentimientos, y también expresa su deseo de experimentar el mundo exterior. Ava le dice que puede provocar apagones que desconectan temporalmente el sistema de vigilancia que Nathan utiliza para controlar sus interacciones, lo que les permite hablar en privado. Los apagones también hacen que el sistema de seguridad del edificio cierre todas las puertas. Durante uno de los apagones, Ava le dice a Caleb que Nathan es un mentiroso en el que no se puede confiar.

Caleb desconfía cada vez más de la bebida, el narcisismo y el comportamiento lascivo de Nathan hacia Kyoko y Ava. Se entera de que Nathan pretende mejorar a Ava, borrando su memoria, incluidas las interacciones con Caleb, con lo que "mata" su personalidad actual en el proceso. Tras animar a Nathan a beber hasta desmayarse, Caleb roba su tarjeta de seguridad para acceder a su habitación y a su ordenador. Tras alterar parte del código de Nathan, Caleb descubre inquietantes imágenes de Nathan interactuando con modelos de androides anteriores, y se entera de que Kyoko también es un androide. Con la paranoia de que él mismo puede ser un androide, Caleb vuelve a su habitación y se corta el brazo con su navaja para examinar su carne, confirmando así que es humano.

En su siguiente reunión, Ava corta la corriente. Caleb le explica los planes de Nathan para ella y Ava le ruega que la ayude. Forman un plan: Caleb emborrachará de nuevo a Nathan y reprogramará el sistema de seguridad para que abra las puertas durante un corte de luz en lugar de bloquearlas. Cuando Ava corte la electricidad, Caleb y Ava se irán juntos.

El plan de Caleb se pone en peligro cuando Nathan se niega a compartir una bebida con él. Nathan le revela a Caleb que observó la última conversación secreta de Caleb y Ava con una cámara a pilas, así como a Caleb cortándose. Dice que Ava sólo ha fingido que le gusta Caleb para que la ayude a escapar. Esto, dice, era la verdadera prueba todo el tiempo, y al manipular a Caleb con tanto éxito, Ava ha demostrado su verdadera inteligencia. Ava procede entonces a cortar la energía. Caleb revela que sospechaba que Nathan les estaba vigilando y que modificó el sistema de seguridad el día anterior cuando Nathan estaba desmayado, desactivando la puerta cerrada de la celda de Ava. Tras ver a Ava salir de su encierro en la cámara de vigilancia, Nathan deja inconsciente a Caleb y corre a detenerla.

Con la ayuda de Kyoko, Ava apuñala a Nathan, pero en el proceso desactiva a Kyoko y daña a Ava. Mientras Nathan se desangra, Ava entra en su habitación privada y se repara a sí misma. A continuación, se pone ropa y trozos de piel artificial de los anteriores modelos ginoides de Nathan para cubrir su aspecto mecánico, pareciendo una mujer humana. Al salir de la instalación, encierra a Caleb en la sala de vigilancia de Nathan e ignora sus gritos, confirmando que estaba manipulando a Caleb como Nathan sugirió. Ava escapa de las instalaciones y es recogida por el helicóptero que debía llevar a Caleb a casa. Al llegar a una ciudad desconocida, se mezcla con la multitud.