在遥远的未来，一座巨型高科技成人乐园Delos建成，其中有西部世界，罗马世界，中世纪世界三大主题版块的机器人世界，它提供给游客杀戮与性欲的满足，而这座巨大机械乐园的后台监控渐渐失去了对机器人的控制，游客被机器人杀死，所有想逃离者都被锁定……

弗兰克（莱昂纳多·迪卡普里奥 Leonardo DiCaprio饰）是FBI有史以来年龄最小的通缉犯。他的犯罪手段神通广大，伪装身份的能力超乎常人，全美各地几乎都留下他的犯罪足迹。乔装医生、律师、飞行员，统统都是他曾经的身份。当然，弗兰克凭着这个“本领”，骗取了高达几百万的金额。
活得逍遥快乐的弗兰克这次又成功伪造了一份学历证明，去医院做起了大夫。弗兰克不但在这里认识了护士布雷达（艾米·亚当斯 Amy Adams饰），二人擦出爱火花，还通过布雷达的父亲得到了一份检察官助理的优差。然而，这只是暴风雨前夕——一双眼睛已经盯住了弗兰克，誓要把他绳之于法不可。这就是FBI探员卡尔（汤姆·汉克斯 Tom Hanks饰）。
在研究追捕弗兰克的过程中，卡尔领教到这个犯罪天才的过人智商。他屡次被弗兰克这个黄毛小子捉弄，心里又恨又不得不佩服。每当弗兰克有惊无险地从他的精心布局中逃脱时，这个猫鼠游戏显得有趣起来……