Der 24-jährige Caleb (Domhnall Gleeson) arbeitet als Web-Programmierer in einem großen Internetkonzern. Als er ein firmeninternes Gewinnspiel mit Bravour meistert, besteht Calebs Preis darin, seinen obersten Vorgesetzten, den öffentlichkeitsscheuen Konzernchef Nathan (Oscar Isaac), auf dessen abgelegenem Grundstück in den Bergen besuchen zu dürfen. Doch Caleb ist nicht der schönen Aussicht wegen in das Refugium eingeladen worden. Schnell wird ihm klar, dass seine Anwesenheit Teil eines faszinierenden Experiments ist. In seinem Domizil beherbergt Nathan die weltweit erste künstliche Intelligenz: den weiblichen Roboter Ava (Alicia Vikander), mit dem Caleb kommunizieren und eine Verbindung aufbauen soll. Schon bald geraten er, Nathan und Ava in ein gefährliches Dreieck aus Liebe, Eifersucht und Misstrauen…