Drei Monate nach dem Massaker in Westworld benutzt Dolores eine falsche Identität, um Liam Dempsey Jr., dem Sohn des Mitbegründers von Incite, in der realen Welt nahe zu kommen. Liam ist das öffentliche Gesicht des Unternehmens und seines Programms Rehoboam, einer hoch entwickelten künstlichen Intelligenz, zu der Dolores Zugang erhalten möchte. Martin, Liams Sicherheitschef, der Dolores’ Täuschung entdeckt hat, will Dolores töten, aber sie lockt ihn stattdessen in eine Falle, die es ihr ermöglicht, Martin durch einen Host zu ersetzen. Dolores wird in einem Feuergefecht verwundet, aber von Caleb gerettet, einem ehemaligen Soldaten. Derweil übernimmt die neue Charlotte die Kontrolle über Delos. An anderer Stelle ist Bernard gezwungen zu fliehen und entschließt sich nach Westworld zu reisen. Maeve erwacht in einem Park zum Thema des Zweiten Weltkriegs.

Bernard kehrt nach Westworld zurück und verbündet sich mit Ashley Stubbs. Maeve wird von Hector aus Warworld gerettet, erkennt jedoch, dass dies bloß ein neuer Teil des Parks ist. Sie tötet sich und trifft auf Lee, der augenscheinlich überlebt hat. Später realisiert sie jedoch, dass Lee durch einen Host ersetzt wurde und sie sich in einer Virtual-Reality-Simulation befinden. Ihr Fluchtversuch scheitert und sie erwacht in der realen Welt bei einem Mann namens Serac, der ihre Hilfe will, um Dolores aufzuhalten.

Charlotte, erfährt, dass Serac versucht, Delos zu übernehmen und dass ihre menschliche Version ihm dabei geholfen hat. Caleb hat Dolores bei der Flucht geholfen und wird dadurch nun selbst zum Ziel. Dolores kommt rechtzeitig, um ihn zu retten und weiht ihn in ihre Pläne ein. Sie zeigt ihm, dass Rehoboam eine vorausschauende KI ist, die verwendet wird, um die zukünftige Richtung der Menschheit zu bestimmen, bis hin zur Kontrolle des Lebens jedes Einzelnen. Caleb nimmt Dolores’ Angebot an, sich ihr anzuschließen, als sie eine Revolution gegen Serac und Rehoboam plant.

Charlotte hilft William, sich auf eine Vorstandssitzung vorzubereiten, um zu verhindern, dass Serac Delos aufkauft. William wird von Visionen von seiner Tochter Emily geplagt. Serac erhält Maeves Hilfe, indem er anbietet, sie wieder mit ihrer Tochter zu vereinen. Maeve folgt den Hinweisen von Dolores, dabei begegnet sie einem Host mit dem Aussehen von Musashi. Bernard und Stubbs versuchen Liam zu entführen, aber Dolores und Caleb halten sie auf. William, Bernard und Maeve erkennen, dass Dolores vor dem Verlassen von Westworld Host-Kopien von sich selbst angefertigt und diese in die Hosts von Charlotte, Martin und Musashi gesteckt hat. Musashi verwundet Maeve und lässt sie zurück, während Charlotte, nachdem sie enthüllt hat, dass sie Dolores ist, William in eine Nervenheilanstalt einliefern lässt.

Serac erzählt von der Erschaffung von Rehabeam, mit der er verhindern wollte, dass sich die Menschheit selbst zerstört. Währenddessen fliehen Dolores und Caleb mit Liam, während sie von Seracs Agenten verfolgt werden, und schließen sich Ash und Giggles an. Martin sendet die Dateien aus Rehabeam an jeden Menschen auf dem Planeten und die Welt versinkt im Chaos. Stubbs kommt, um Bernard zu befreien, und Martin weist sie an, Seracs Einrichtung zu suchen, in der er Menschen modifiziert. Martin opfert sich dann und tötet mehrere von Seracs Agenten in einer gewaltsamen Explosion. Da Liam seinen Zweck erfüllt hat, tötet Ash ihn für das, was sie entdeckt hat. Mit seinen letzten Worten teilt Liam Caleb mit, dass er nicht derjenige ist, der er zu sein glaubt.

Dolores leitet die nächste Phase in ihrem Plan ein. Dabei ist sie auch bereit, über Host Leichen zu gehen. Charlotte beginnt allmählich, eine eigene Persönlichkeit zu entwickeln und stellt erstmals Dolores’ Anweisungen in Frage. Serac übernimmt Delos und sucht nach der Kopie von Dolores. Maeve und Charlotte erleiden beide einen herben Verlust.

Maeve versucht gemeinsam mit Clementine und Hanaryo weiterhin Dolores’ Plan zu durchkreuzen. Dabei erhält sie unerwartet Hilfe von Charlotte. Caleb wird mit der Wahrheit über seine Vergangenheit konfrontiert und erkennt, dass er eine Lüge gelebt hat.

Dolores läutet die letzte Phase ihres Plans ein, bei dem Caleb eine zentrale Rolle spielt. Maeve erkennt die Wahrheit über Serac und muss sich für eine Seite entscheiden. Bernard realisiert, was Dolores wirklich vorhat und William versucht im Alleingang die Welt zu retten.