Caleb Smith arbeitet als Programmierer bei der weltweit erfolgreichen Internet-Suchmaschine "Blue Book". Durch ein firmeninternes Gewinnspiel erhält er die Möglichkeit, dem Firmengründer Nathan Bates bei seiner Arbeit an einer neuen Entwicklung über die Schulter zu schauen. Hierzu fliegt er in die Einsamkeit Alaskas, um eine Woche mit dem Programmier-Genie in dessen abgeschotteter Villa zu verbringen. Dort arbeitet Nathan an einem weiblichen Androiden, der mit künstlicher Intelligenz ausgestattet ist. Caleb soll Teil eines Experiments werden, bei dem er das hübsche Robotermädchen Ava auf seine Überzeugungskraft als menschliches Wesen testet. Während seiner Gespräche mit dem Forschungsobjekt wird er über Kameras von Nathan beobachtet, dessen Exzentrik und dessen Alkoholproblem Caleb zunehmend unangenehm werden. Auch der Umgang Nathans mit seiner Dienerin, der Asiatin Kyoto, wirkt befremdlich auf Caleb. Umso näher fühlt sich der schüchterne Programmierer Ava, die sich scheinbar zu seiner Verbündeten entwickelt. Doch dann gerät das Experiment außer Kontrolle, und Caleb wird zum Spielball im Kampf zwischen Mensch und Maschine.