Lucy Miller (Scarlett Johansson) es una joven estadounidense que reside en Taiwán y a la que su pareja engaña para que entregue en su nombre un maletín en la habitación de un hotel. Lo que Lucy no sabe es el contenido del maletín y el receptor es un mafioso coreano llamando Han (Choi Min-sik), pretende introducir una nueva droga sintética experimental en el mercado occidental, de la que se desconoce sus efectos en las personas que consumen una pequeña dosis: CPH4. Esta sustancia se genera durante el embarazo para lograr el rápido crecimiento de los huesos y músculos del bebé.Como ocurre con otros tres desconocidos, Lucy es retenida y le introducen en su abdomen una bolsa de 1 kg. con dicha droga experimental. A diferencia de los otros tres retenidos, Lucy se defiende de un intento de abuso por parte de uno de sus captores en la prisión provisional y este la golpea en su abdomen, y la bolsa con droga se rompe en el interior de su cuerpo, esparciéndose parte del contenido de la droga por su torrente sanguíneo y cambiándola para siempre. De repente, es capaz de utilizar el 40% de su actividad cerebral. Es decir, es capaz de hablar y escribir chino, recordar los olores de sus primeros días de vida e incluso cuando acude a un hospital a que le quiten la bolsa de droga no necesita de anestesia ya que su cerebro controla el dolor, es capaz de controlar las reacciones de su cuerpo y con esto ella se olvida de lo que la hace humana.
Antes de ir a ese hospital logra escapar del lugar donde estaba retenida, Lucy acude a este hospital para que le extraigan la bolsa de su abdomen. El cirujano le explica en que consiste la droga y se sorprende de que Lucy continúe con vida. La chica decide informar a la policía europea de la identidad de los otros tres muleros, porque necesita conseguir las otras tres bolsas de droga antes que los mafiosos coreanos y poder sobrevivir. Por su parte, Lucy contacta con el profesor Samuel Norman (Morgan Freeman) para ayudarle a responder la pregunta que se ha formulado como pregunta de investigación y después de leer todos sus estudios en pocos minutos: ¿qué es capaz de hacer el ser humano cuando usa el 100% de su capacidad cerebral? Ya en el avión camino de París, donde se ha citado con el profesor Norman, el porcentaje que Lucy utiliza de su cerebro es del 60%. Tras beber una copa de champán, incompatible con la reproducción celular que está experimentando gracias a la droga, Lucy empieza a desintegrarse. Logra evitarlo consumiendo más droga que tenía guardada y es al llegar al aeropuerto Charles de Gaulle cuando se pone en contacto con el capitán de la policía Pierre del Río (Amr Waked) para que le ayude a recuperar las bolsas, con una llamada telefónica en donde ella puede ver la oficina donde trabaja con los ojos del capitán.
En este proceso, la protagonista adquiere la facultad de viajar físicamente en el espacio-tiempo, con lo que retrocede miles y luego millones de años, hasta encontrarse cara a cara con la primera Lucy: considerado el primer homínido sobre la faz de la tierra del que se tiene conocimiento y fue nombrado al principio de la película. Su viaje sigue hasta llegar al Big Bang, al mismo tiempo que alcanza el 100% del uso de su cerebro. En este momento entra en escena el Sr. Jang y le dispara. Sin embargo, su intento por acabar con ella resulta vano cuando en el universo real desaparece en el espacio-tiempo dejando solo la ropa. Estupefacto por lo que acaba de presenciar, Jang es abatido por el capitán Del Río y muere. Ya fuera de peligro, Norman ve cómo el cuerpo de Lucy se ha transformado en una especie de figura monolítica enorme que sostiene un pen drive antes de desvanecerse completamente. Cuando Del Río pregunta por ella, recibe un mensaje en el que lee: «Estoy en todas partes».
