Con las naciones occidentales envueltas en una nueva Guerra Fría con China, la carrera armamentista se centra en el desarrollo de máquinas inteligentes como armas militares. David Thomson del Ministerio de Defensa supervisa la investigación de inteligencia artificial del Dr. Vincent McCarthy, cuyos experimentos implican el uso de soldados gravemente heridos como sujetos de prueba.

Las pruebas con el sujeto Paul Dawson revelan resultados decepcionantes, ya que la ciencia de Vincent en la creación de máquinas de pensamiento libre no está tan avanzada como a él le gustaría. Confundido sobre su naturaleza híbrida de hombre-máquina, Dawson de repente mata a un científico en señal de frustración y es sacrificado a la fuerza.

Vincent contrata a una joven y prometedora científica llamada Ava, cuyos avances en la investigación de la I.A. rivalizan con los suyos. Fuera de las instalaciones, Ava es abordada por la madre de Paul Dawson, que está desesperada por respuestas sobre el destino de su hijo. Otra máquina nacida de un soldado herido, James, le dice subrepticiamente a Ava que investigue el sector conocido como Área 6. Ava descubre las pruebas que se están haciendo a los veteranos heridos, pero Vincent desalienta su curiosidad.

Mientras Vincent y Ava se conocen, Vincent revela que tiene una hija con daño cerebral llamada Mary. Está usando secretamente su investigación militar para encontrar una cura para su condición.

En un viaje a casa desde el centro, Vincent y Ava ven a alguien que se parece a la madre de Paul Dawson y se detienen para ofrecer un paseo. La mujer resulta ser una asesina china disfrazada que asesina a Ava e hiere a Vincent.

Vincent usa patrones cerebrales capturados de Ava para crear una nueva máquina. La nueva Ava comienza a mostrar un nivel de conciencia más elevado que está más cerca de la mente humana que cualquier otra creación anterior. Mientras Vincent quiere desarrollar más su autoconciencia, Thomson insiste en convertirla en un arma lo antes posible. Mientras tanto, la hija de Vincent, Mary, muere de una infección pulmonar.

Thomson finalmente chantajea a Vincent para que reduzca la autoconciencia de Ava amenazando con destruir el único archivo existente de los patrones cerebrales de Mary, que Vincent planeaba usar para recrearla como una máquina. Vincent pretende realizar la operación en Ava, pero en realidad desencadena un mecanismo cronometrado que resulta en una revuelta de todas las máquinas de la instalación.

Thomson intenta destruir remotamente los implantes de los soldados mientras la base se cierra, pero Ava lo mata. Vincent y Ava finalmente escapan de las instalaciones con los archivos de Mary. También le dan los registros de la investigación a la Sra. Dawson para que pueda averiguar lo que le pasó a su hijo.

En un epílogo, Vincent es visto con Ava, así como una tableta que contiene la conciencia recreada de Mary. Mary se refiere a Ava como su madre.