לוסי (סקרלט ג'והנסן) היא סטודנטית אמריקאית השוהה בטייוואן, שנקלעה למעגל אפל של סחר בסמים. כשהיא מוצאת את עצמה בשבי, לוסי הופכת במהרה מאישה רגילה ללוחמת חסרת רחמים לאחר שבלעה בטעות סם ניסיוני שמעניק לה יכולות מנטליות יוצאות דופן. ככל שהסם מתפשט בגופה, היא מתחילה להשתמש באחוזים הולכים וגדלים של מוחה, מה שמעלה את כישוריה הפיזיים והמנטליים מעבר לכל דמיון. במהלך התהליך, לוסי משנה את כללי המשחק ומתהפכת נגד אותם אנשים ששבו אותה. כשהיא מתפתחת מעבר לתבונה אנושית, היא מחפשת עזרה מדוקטור סמואל נורמן (מורגן פרימן), חוקר שמתמחה ביכולות המוח האנושי. נורמן מסביר לה את הפוטנציאל האדיר שטמון במוח האנושי, ומסייע לה להבין את השלבים השונים של ההתפתחות המנטלית שהיא עוברת.
לוסי מתמודדת עם האתגרים הפיזיים והנפשיים שנובעים מהשינוי המהיר בגופה ובמוחה, ומנסה למצות את היכולות החדשות שלה כדי לעצור את אותם פושעים שמנסים לנצל את הסם למטרות זדוניות. היא נלחמת לא רק על חייה אלא גם על עתיד האנושות, כשהיא מנסה להשתמש במוחה במלואו, 100%, ולהגיע למצב שבו תוכל לשלוט על המציאות סביבתה ברמה שלא נראתה קודם. הקרב שלה הוא לא רק על הישרדות אלא על התעלות על המגבלות האנושיות והגשמת פוטנציאל מוחי שמעבר לכל דמיון. ככל שהזמן עובר, לוסי מגיעה לרמות גבוהות של תודעה, יכולת שליטה בזמן ובמרחב, ואף מסוגלת להשפיע על חומר ואנרגיה בדרכים מדהימות. עם זאת, התהליך גם מעלה שאלות מוסריות ופילוסופיות עמוקות לגבי מהות הקיום האנושי והגבולות בין אדם למכונה או לתודעה טהורה. הסרט מסתיים באופן פתוח, כשהדמות של לוסי מתמזגת עם היקום כולו, ומשאירה אחריה מסר על הפוטנציאל האינסופי שטמון בכל אדם ועל החשיבות של שימוש נכון בידע ובכוח. הדמויות המלוות אותה, ובפרט ד"ר נורמן, נשארות עם תחושת פליאה והרהור על המשמעות של מה שקרה, ועל האפשרויות העתידיות שהטכנולוגיה והמדע עשויים להביא.
