效力于某知名搜索引擎公司的程序员加利·史密斯（多姆纳尔·格利森 Domhnall Gleeson 饰）幸运地抽中老板纳森（奥斯卡•伊萨克 Oscar Isaac 饰）所开出的大奖，他将受邀前往位于深山的别墅中和老板共度假期。在与世隔绝的别墅中，纳森亲切地接待了这位员工。 事实上他邀请加利到来还有另一个目的，那就是协助他完成其所开发的智能机器人的测试。天才一般的纳森研制了具有独立思考能力的智能机器人伊娃（艾丽西亚·维坎德 Alicia Vikander 饰），为了确认她是否具有独立思考的能力，他希望加利能为伊娃进行著名的“图灵测试”。似乎从第一眼开始，加利便为这台有着宛如人类般姣好容颜的机器人所吸引。
在随后的交流中，他所面对的似乎不是冷冰冰的机器，而更像是一个被无辜囚禁起来的可怜少女……

《西部世界》的故事发生在未来，人们已经不再热衷于玩网络游戏，而是创造了高科技成人乐园，体验更加真实刺激的游戏。里面有不少机器人接待员，他们过着设定好的剧情生活。而游客呢，现实中不敢的胡作非为，在公园里都能无限制放纵，嫖妓、追凶甚至滥杀无辜。提供服务的机器人，也不是一般的机器人。他们不仅具有超高仿真外形，还有自身情感，而且能带给游客最真实的体验。比如，中弹以后会流血，受伤以后会痛苦地嗷叫。夜幕降临，所有机器人的记忆被清除，一切归零，第二天太阳升起，新一批游客入园。不过，在程序的失误以及程序员要求机器人更接近于人类思维和情感的情况下，机器人的自主意识和思维使他们开始怀疑这个世界的本质，进而觉醒并反抗人类.

21世纪中期，由于温室效应，南北极冰川融化，地球上很多城市被淹没。此时，人类科技已经高度发达，人工智能机器人就是人类发明出来用以应对恶劣自然环境的科技手段之一，而且，机器人制造技术已经高度发达，先进的机器人不但拥有可以乱真的人类外表，还能感知自身的存在。
莫妮卡的儿子马丁重病住院，生命危在旦夕，为了缓解伤痛的心情，她领养了机器人小孩大卫（海利•乔•奥斯蒙特 饰），大卫的生存使命就是爱她。马丁苏醒，恢复健康，回到了家里，一系列的事情使大卫“失宠”，最后被莫妮卡抛弃。
在躲过机器屠宰场的残酷追杀后，大卫在机器情人乔（裘德•洛 饰）的帮助下，开始寻找自己的生存价值：渴望变成真正的小孩，重新回到莫妮卡妈妈的身边。谁也不知道他能否完成自己的心愿，脱胎换骨成为真正的人，等待他们的只是凶吉难料的旅程……