被惡德男友強迫幫他送貨的年輕女子露西（斯嘉麗·詹森 Scarlett Johansson 飾），遭遇了窮兇惡極的韓國黑幫頭目張先生（崔岷植 飾）一夥。她連同三個男人被張先生在腹部縫入了代號為CPH4的神秘藥品，以此將藥品偷偷帶入不同國家。在臺北盤桓期間，露西遭到惡男暴打，以致藥品破裂進入血液之中。
誰知令人難以置信的事情就此發生，藥品激發了露西大腦的潛力，令人腦中約90%的神經元相繼甦醒。伴隨著身體細胞飛速增長，露西掌握了越來越多人們所謂的超能力，她可以控制新陳代謝，可以控制別人的身體，可以控制最常見的電磁波，如電視、電話、廣播，但同時也感覺不到疼痛、恐懼、欲望，漸漸地失去人性，自己的死期不會超過24小時。
露西清楚地了解到CPH4所擁有的強大威力，於是想方設法要阻止其他三袋藥品落入張先生一夥手中。 期間她與大腦研究方面的資深教授塞繆爾·諾曼（摩根·弗裡曼 Morgan Freeman 飾）取得聯繫，在後者的見證下，露西迎來大腦100%甦醒的歷史性時刻，她可以突破時間和空間的限制，來到世界任意一個地方。
回到過去任意一個節點，她見到了恐龍、類人猿，最終露西看到了整個宇宙的起源。張先生闖進來企圖射殺露西，卻發現露西已經沒有了肉體。露西將自己經歷所學到的所有知識化為一個U盤交給了諾曼教授，隨後趕到的警察將張先生射殺，警察詢問露西的行蹤，手機裡顯示「生命只有一個意義，那就是分享及傳遞所學的東西。」