ごく普通の生活を送っていたルーシー(スカーレット・ヨハンソン)は、ある日マフィアの闇取引に巻き込まれ、下腹部に新種のドラッグの入った袋を埋めこまれる。だが体内でドラッグが漏れ出すアクシデントによって、彼女の脳は突如覚醒し始める。「頭脳拡張20％」――驚異的なスピードで言語をマスター、「頭脳拡張40％」――目に見えない電波をコントロール……。脳科学者ノーマン博士(モーガン・フリーマン)が見守る中、ルーシーは次々と人智を超えた能力を発揮するが、同時に人間性が失われていき、自身でさえもコントロール不能な状態となって暴走を始めるのだった。やがて、彼女の脳は100％覚醒へと近づいていく……。
