En un futuro no muy lejano, la tecnología más puntera ha perfeccionado las relaciones románticas hasta convertirlas en una ciencia: Un test informático puede determinar la probabilidad de éxito de la relación entre dos individuos, y los androides -conocidos como "sintéticos"- han sido diseñados como la pareja ideal, que se comprende completamente y nunca se abandona. Zoe (Léa Seydoux) y Cole (Ewan McGregor) trabajan en el centro de investigación encargado de desarrollar esta tecnología. Zoe y Cole son amigos, pero Zoe está enamorada de él, y se decepciona cuando se somete al test de compatibilidad y descubre que tienen un 0% de compatibilidad. Cuando ella le cuenta a Cole esta información, él le dice amablemente que la incompatibilidad fundamental entre ellos es que ella es una sintética.

Los sintéticos siempre habían sido programados para saber que eran sintéticos, pero Zoe era un nuevo modelo y un experimento para ver si un sintético podía pasar por humano. Aunque a Zoe le han implantado recuerdos falsos que creía que eran suyos, está claro que Zoe es especial, ya que ha desarrollado sus propios sentimientos. Cole lleva suavemente a Zoe por el mundo con esta nueva conciencia de sí misma, viendo sus reacciones a las cosas, pero también enamorándose de ella. Se muestra receloso a la hora de tener relaciones físicas con ella, pero finalmente lo hacen. Zoe sigue sintiendo que Cole se está conteniendo.

Sin embargo, cuando Zoe es atropellada por un coche, abriendo su estómago y exponiendo sus entrañas sintéticas, Cole se aleja completamente de Zoe después de repararla. Mientras tanto, la compañía de IA ha cambiado de rumbo y ha lanzado Benysol, una píldora que da a la persona que la toma la sensación de estar enamorada durante varias horas dichosas. Es un gran éxito, con gente que acude a los clubes de Benysol e incluso se reúne en ciertos parques para conocer a las parejas con las que lo toman. Cole y Zoe se echan claramente de menos, pero ambos toman Benysol con varias parejas, lo que sólo les hace sentirse vacíos. Los amigos de Cole le animan a estar con Zoe, aunque ella sea sintética, pero él no puede hacerlo. Un día, Zoe visita el laboratorio de IA y descubre una sala llena de Zoes, la siguiente generación de ella, Zoe 2.0. Se da cuenta de que no desea vivir sin Cole y visita el burdel donde pide al dueño que la cierre. Sin embargo, en el último momento cambia de opinión y algunas de las chicas del burdel la llevan a su apartamento, donde Cole la encuentra y le profesa su amor. Ella llora, lo que se supone que no puede hacer su modelo.