La estadounidense Lucy, de 25 años, está estudiando en Taipei (Taiwán) y su nuevo novio, Richard, la engaña para que trabaje como mula de la droga para un kkangpae y narcotraficante surcoreano. Lucy entrega al Sr. Jang un maletín con cuatro paquetes de CPH4 , una droga sintética de gran valor.

Tras ver cómo disparan y matan a Richard, la capturan y le cosen a la fuerza una bolsa con la droga para transportarla a Europa. Durante su cautiverio, recibe una patada en el estómago que rompe la bolsa y libera una gran cantidad de droga en su organismo. Adquiere capacidades físicas y mentales cada vez mayores, como la telepatía, la telequinesis, el viaje mental en el tiempo y la capacidad de no sentir dolor. También se vuelve despiadada y sin sentimientos. Utilizando sus nuevas habilidades, mata a sus captores y escapa.

Lucy viaja al cercano Hospital General de Tres Servicios para que le extraigan la bolsa de drogas de su abdomen. El médico que la opera le dice que la CPH4 natural es producida en cantidades mínimas por las mujeres embarazadas durante la sexta semana de gestación para proporcionar a los fetos la energía necesaria para desarrollarse. Al aumentar sus habilidades físicas y mentales, Lucy regresa al hotel del Sr. Jang, mata a sus guardaespaldas, lo ataca y extrae telepáticamente de su cerebro la ubicación de las tres mulas de droga restantes.

Lucy comienza a investigar su estado y se pone en contacto con el científico Samuel Norman, cuya investigación puede ser la clave para salvarla. Después de que Lucy hable con Norman y le proporcione pruebas de sus habilidades desarrolladas, vuela a París y contacta con un capitán de la policía local, Pierre Del Rio, para que le ayude a encontrar los tres paquetes restantes de la droga. Durante el vuelo, empieza a desintegrarse cuando sus células se desestabilizan al consumir un sorbo de champán. Para evitar su desintegración, Lucy consume más droga. Con la ayuda de Del Rio, Lucy recupera el resto de la droga. Al reunirse con Norman y sus colegas, acepta compartir todo lo que sabe.

En el laboratorio del profesor, Lucy discute la naturaleza del tiempo y de la vida y cómo la humanidad de las personas distorsiona sus percepciones. A instancias suyas, le inyectan por vía intravenosa el contenido de las tres bolsas restantes de CPH4. Su cuerpo se transforma en una sustancia negra que empieza a extenderse por los ordenadores y otros objetos electrónicos del laboratorio, transformándolos en un superordenador de última generación. Inicia mentalmente un viaje espacio-temporal hacia el pasado, llegando finalmente al ancestro más antiguo descubierto de la humanidad, Lucy. Toca las puntas de los dedos con ella, y luego va hasta el principio de los tiempos y es testigo del Big Bang. Mientras tanto, Jang entra en el laboratorio y apunta con una pistola a la cabeza de Lucy. Dispara, pero para entonces Lucy ha alcanzado el 100% de su capacidad cerebral y desaparece, adentrándose en el continuo espacio-tiempo. Sólo queda su ropa y el superordenador negro.

Del Rio entra y dispara fatalmente a Jang. Norman coge un pendrive negro que le ofrece el superordenador, tras lo cual se desintegra. Del Rio le pregunta a Norman dónde está Lucy, tras lo cual suena el móvil de Del Rio y ve un mensaje de texto: "Estoy en todas partes". A continuación se oye la voz de Lucy diciendo "La vida nos fue dada hace mil millones de años. Ahora ya sabes qué hacer con ella".