Lucy est une jeune femme vivant à Taipei, dans un monde où les humains n'utilisent que 10% des capacités de leur cerveau. Prise dans un guet-apens par la mafia coréenne, elle est contrainte de faire la « mule » pour des trafiquants de drogue qui insèrent un paquet de poudre bleue dans son ventre, le CPH4, produit de synthèse expérimental. Elle est ensuite enfermée et violentée dans une cellule, son agresseur la renverse à terre d'un coup de poing au visage puis lui donne des coups de pied à l'abdomen, ce qui déchire le paquet. La substance se répand dans son corps. Cela décuple ses facultés psychiques[3]. Dès lors, Lucy « colonise » son cerveau, elle acquiert un savoir et des pouvoirs illimités, contrôle les ondes, l'électricité, la matière, le temps, peut changer d'apparence et fait de la télékinésie. Elle se rapproche du professeur Samuel Norman, spécialiste du cerveau qui a théorisé les possibilités humaines dans le cas où l'on pourrait utiliser plus de 10% des capacités cérébrales. Au cours du film, va s'afficher, à l'écran, la progression des capacités cérébrales de Lucy. Celle-ci rejoint le professeur Norman à Paris et doit affronter la mafia coréenne menée par son chef sanguinaire, « Monsieur Jang ».

Trois autres « mules » ont été chargées de CPH4 à Taipei pour apporter la drogue en Europe. Lucy aide les forces de police à les retrouver toutes, et à l'issue d'un affrontement contre les mafieux coréens qu'elle maîtrise d'un geste, elle récupère les trois paquets et se fait injecter la totalité du produit afin que son cerveau parvienne à 100%. Elle comprend dès lors le sens et l'origine de l'existence, de l'univers, puis une substance noire jaillit de ses membres, fabriquant un super ordinateur dans les locaux de la Sorbonne devant Norman et plusieurs de ses collègues ébahis, afin de leur transmettre tout son savoir. Dans le même temps, elle se met à voyager à travers le temps et l'espace, revient trois millions d'années en arrière et rencontre un des plus