Tayvan'ın başkenti Taipei'nin suça batmış yeraltı dünyasında, sokak çeteleri, mafya ve işbirlikçi polisler tarafından yönetilen bir düzen hakimdir. Uyuşturucu ticareti, bu karanlık dünyanın en aktif ve kârlı faaliyetlerinden biridir. Eğlenmeyi seven, sıradan bir genç kadın olan Lucy Miller (Scarlett Johansson), birkaç gece beraber takıldığı Richard (Pilou Asbæk) yüzünden kendini bir anda bu tehlikeli uyuşturucu şebekelerinin birinin içinde bulur.

Lucy'nin vücuduna kurye olması için yeni bir tür sentetik uyuşturucu yerleştirilir. Ancak beklenmedik bir şekilde bu uyuşturucu Lucy'nin vücuduna nüfuz edip kanına karışmaya başlayınca mucizevi bir durumla karşı karşıya kalır. Lucy'nin damarlarında dolaşan kimyasallar, ona insanüstü yetenekler kazandırır. Artık akıl okuma, telekinezi ve acıyı hissetmeme gibi güçlere sahip olan genç kadın, beyninin tüm algı kapılarını sonuna kadar açar.

Bu yeni güçleriyle Lucy, sadece hayatta kalmakla kalmaz, aynı zamanda kendisine bu durumu yaşatanlardan intikam almaya karar verir. Beyninin %100 kapasitesine ulaşarak tüm fiziksel ve zihinsel engelleri aşan Lucy, Taipei'nin karanlık sokaklarında bir güç gösterisi yapar. Bilim adamı Profesör Norman (Morgan Freeman) ile iletişime geçerek bu olağanüstü dönüşümün nedenlerini ve sonuçlarını anlamaya çalışır.

Lucy, giderek artan yetenekleriyle birlikte, insanüstü bir varlığa dönüşürken, kendisini değiştiren uyuşturucu çetesinin lideri Mr. Jang (Choi Min-sik) ve adamları tarafından avlanmaktadır. Taipei'nin suç dolu dünyasında hayatta kalma mücadelesi verirken, Lucy'nin hikayesi insan potansiyelinin sınırlarını sorgulayan bir gerilim ve aksiyon öyküsü sunar.