Afin de tester une nouvelle forme d'intelligence artificielle, Caleb est convié pendant une semaine à la résidence sophistiquée et reculée du scientifique Nathan. Il fait la connaissance d'Ava, un robot révolutionnaire. Cette entité semble posséder une conscience humaine et elle sidère complètement Caleb. Le jeune homme la met à l'épreuve en lui posant des questions de plus en plus ardues, étant incapable de trouver une faille dans son système. Au fil des rencontres, Caleb commence à voir Ava différemment, surtout depuis qu'elle lui confie les mauvais traitements que lui fait subir Nathan.