被恶德男友强迫帮人送货的年轻女子露西（斯嘉丽·约翰逊 Scarlett Johansson 饰），遭遇了穷凶恶极的黑帮头目张先生（崔岷植 饰）一伙。她连同三个男人被张先生在腹部缝入了代号为CPH4的神秘药品，以此将药品偷偷带入不同国家。在台北盘桓期间，露西遭到恶男暴打，以致药品破裂进入血液之中。谁知令人难以置信的事情就此发生，药品激发了露西大脑的潜力，令人脑中约90%的神经元相继苏醒。伴随着身体的飞快进化，露西掌握了越来越多人们所谓的超能力。她清楚地了解到CPH4所拥有的强大威力，于是想方设法要阻止其他三袋药品落入张先生一伙手中。
期间她试图与大脑研究方面的资深教授塞缪尔·诺曼（摩根·弗里曼 Morgan Freeman 饰）取得联系，在后者的见证下，露西将迎来大脑100%苏醒的历史性时刻……

道姆·柯布（莱昂纳多·迪卡普里奥 Leonardo DiCaprio 饰）与同事阿瑟（约瑟夫·戈登-莱维特 Joseph Gordon-Levitt 饰）和纳什（卢卡斯·哈斯 Lukas Haas 饰）在一次针对日本能源大亨齐藤（渡边谦 饰）的盗梦行动中失败，反被齐藤利用。齐藤威逼利诱因遭通缉而流亡海外的柯布帮他拆分他竞争对手的公司，采取极端措施在其唯一继承人罗伯特·费希尔（希里安·墨菲 Cillian Murphy 饰）的深层潜意识中种下放弃家族公司、自立门户的想法。为了重返美国，柯布偷偷求助于岳父迈尔斯（迈克尔·凯恩 Michael Caine 饰），吸收了年轻的梦境设计师艾里阿德妮（艾伦·佩吉 Ellen Page 饰）、梦境演员艾姆斯（汤姆·哈迪 Tom Hardy 饰）和药剂师约瑟夫（迪利普·劳 Dileep Rao 饰）加入行动。在一层层递进的梦境中，柯布不仅要对付费希尔潜意识的本能反抗，还必须直面已逝妻子梅尔（玛丽昂·歌迪亚 Marion Cotillard 饰）的处处破坏，实际情况远比预想危险得多……