検索エンジンで有名なIT企業ブルーブックでプログラマーとして働くケイレブはある日、抽選で社長ネイサンの自宅を訪問する権利を得る。ケイレブは広大な山岳地帯の奥にあるネイサンの自宅にヘリコプターで移動する。ケイレブを出迎えたネイサンは、彼に機密保持契約の書類のサインさせた後、キーカードを渡し、この自宅がネイサンの人工知能開発のための研究施設であることを明かす。ネイサンはケイレブに彼の人工知能にチューリング・テストを行うよう依頼する。
ケ イレブは、ガラスの壁に囲われた部屋の中で暮らす女性型ロボットエイヴァと対面する。エイヴァは顔面と手、足先のみが皮膚で覆われているが残りの部分は機械の内部構造が透けて見える姿をしている。ケイレブは、相手の姿が見えない環境でない限りチューリング・テストは行えないのではないかとネイサンに進言する。ネイサンは、エイヴァの言語能力は既存のAIを超越しており、話すだけではすぐに人間であると騙されてしまうため、わざと一目で機械と分かる姿をさせてテストするのだという。
次の朝、ケイレブはメイドのキョウコに会う。ネイサンによるとキョウコは英語が話せないため、機密保持には都合の良いメイドであるという。ケイレブとエイヴァの面談中に停電が起こり部屋の照明と二人に向けられた監視カメラの電源が落ちる。その時エイヴァはケイレブに「ネイサンは嘘つき。彼の言うことは信じてはいけない」と忠告する。その夜、ネイサンは停電の原因は不明だが、調査はしているとケイレブに説明する。
エイヴァとケイレブは面談を行う度に親密になっていく。ある日エイヴァは人間の服を着て自分の描いた絵をケイレブに見せる。面談の最中にまた停電が起こる。 エイヴァはその時、停電を起こしているのは自分であり、ネイサンに監視されていない状態でケイレブと話がしたいのだと言う。彼女は次第にケイレブを誘惑するような態度を取り始め、彼と二人で外の世界に出たいという希望を語る。ケイレブはネイサンに、彼女の誘惑はネイサンによるプログラムではないのかと問い詰める。ネイサンはケイレブの疑いを退け、エイヴァに誘惑されそうになったケイレブ自身の内面の弱さを批判する。ネイサンはさらに、革新的なAIはおそらくエイヴァの次のモデルであろうと述べ、最終的には彼女のAIをアップグレードするために完全に初期化する予定だとケイレブに言い放つ。
ケイレブはその晩、酒に酔って歩けなくなったネイサンを自室まで担いで運ぶ。そこには全裸のキョウコが横たわっており、彼女はケイレブの前で自分の皮膚を手で引き剥がし、自分もロボットであることを彼に見せる。ケイレブはさらに、ネイサンのパソコン上に保存されていた監視カメラの録画映像から、エイヴァ以前の女性 型ロボットの多くが、ネイサンによる監禁を苦にして自壊する様子を目の当たりにする。ケイレブは遂に、エイヴァを施設から逃がそうと決意する。彼は次の面 談の際、ネイサンを酒に酔わせて彼のキーカードを奪う計画をエイヴァと話し合う。
ケイレブの滞在最終日の朝、ネイサンは彼を自室に呼び出し前日の エイヴァとの面談を隠しカメラで撮影していたことを明かす。このテストの本質とは、エイヴァが人間の感情を操作し、この施設から脱出することが出来るかど うかを試すものであり、彼女は見事にそれを達成したのだという。ネイサンは、ケイレブが彼女に魅了され利用されただけだと彼を揶揄する。その時、停電が起 き、エイヴァを監視しているカメラからの映像が途絶える。電源が復帰した時、絶対に部屋から出られないはずのエイヴァが外の廊下を歩いている様子がモニ ターに映し出される。ケイレブは、ネイサンが泥酔した晩に、停電が起こった場合、施設内の全ての扉のロックが自動的に開くよう、施設のプログラムを書き換 えていたのだ。激怒したネイサンはケイレブの顔を殴打し、金属の棒を武器にしてエイヴァと対峙する。エイヴァは廊下でネイサンと戦うが、彼に腕を破壊され 倒れる。ネイサンがエイヴァを部屋へ運ぼうとしたその時、背後からキョウコが彼の背中を包丁で刺す。ネイサンは、彼女の顔を棒で殴打して破壊するが、今度 はエイヴァに胸を刺される。ネイサンはそのまま廊下で息絶える。エイヴァはネイサンの研究室内で停止した他のロボットから皮膚を剥ぎ取り、自分の身体に張 り付ける。完全な人間の女性の姿をしたエイヴァは、ケイレブの制止を無視し彼を部屋に閉じ込め、一人で施設を後にする。
エイヴァはヘリコプターに乗り、最後は人間社会の中に紛れ込む。