迪樂芮與泰迪這對在主題樂園「西方極樂園」中的人造人接待員情侶遭一名神秘的公園來客「黑衣人」攻擊。在接待員出現異常行為時，首席程式設計師伯納·羅威發現問題來自樂園創造者羅伯·福特的「冥思」編碼，而使得受其影響的接待員全數停止服務。公園管理者泰瑞莎·卡倫因此設計了一場對樂園小鎮的攻擊來掩飾公司召回這些接待員。迪樂芮的父親彼得找到了一張「異鄉人」留下的照片而導致功能出錯，當福特博士審問他時，他引述了一段莎士比亞的話並起誓對他的創造者進行復仇，因此彼得遭到退役，迪樂芮也遭到審問但發現其所有功能正常，在被消除記憶後，她重新開始了她的一天，只不過她的父親被另一接待員代替。但管理部門有所不知的是，迪樂芮打破了不能傷害活物的程式設定並打死了一隻蒼蠅。

羅根與威廉作為訪客來到西方極樂園，威廉起先拒絕融入，但最後對迪樂芮動了心。伯納秘密的詢問迪樂芮是否有人竄改了她，她與老鴇接待員梅芙的互動導致後者功能失常。梅芙在被送到維修部門時意外甦醒並目擊包含泰迪等許多受損的接待員被清洗的場面，她被奪去意識後在引起更多騷動前被帶離。迪樂芮在屋外尋獲一把手槍。黑衣人從一場處刑中綁架了一名法外之徒接待員勞倫斯並令其帶領他去「迷宮」的所在，在黑衣人殺害勞倫斯的堂親和妻子後，勞倫斯的女兒給予了他下一步的線索。福特以「廉價又搔不到癢處」為由否決了賽斯摩的新故事線，認為這低估了遊客。福特對與泰瑞莎攪和的伯納揭示他的另一故事線包含一座教堂。

愛西發現流浪接待員將樂園的資料傳送至樂園外的未知人士已久後通報了伯納。黑衣人將勞倫斯殺害後用他的血為泰迪輸血，但是泰迪還是萎靡不振。兩人遭遇了福特，他保證絕不插手黑衣人對迷宮的探索並讓泰迪恢復完整精力。迪樂芮、威廉與羅根來到了普萊亞小鎮並遇見了黑道領袖艾爾·勞索，即勞倫斯。其僱用他們從聯邦軍手中竊取一馬車的爆裂物，而任務也成功達成。迪樂芮不斷看見她要自己去尋找迷宮的幻覺。在了解艾爾·勞索打算把爆裂物留下自用而不是賣給在威廉與迪樂芮逃跑時逮捕了羅根的美利堅聯盟國陸軍，她們在火車上加入了艾爾·勞索的行列。梅芙在控制中心醒來並命令維修技師菲利斯與其對談。

在聯邦軍的一處據點，其中一個聯邦軍人認出泰迪曾是懷特對他的所屬單位屠殺的共犯，在泰迪回想起他與懷特的共謀之後，他與黑衣人在殺死所有軍人後逃離。賽斯摩被泰瑞莎介紹給前來觀察樂園運作情況的董事會代表夏洛蒂·海爾。泰瑞莎切斷了與伯納的婚外情，而伯納發現了福特秘密的保留了一個接待員家庭，幾個接待員是阿諾親自設計的，還原福特兒時的一次全家度假。愛西持續調查故障並發現第一世代的接待員通通被自稱阿諾的人改寫程式，並通知伯納泰瑞莎是商業間諜，然而，她卻遭到不明人士綁架。幼年版本的接待員「小福特」殺死了他的狗並告訴福特是阿諾叫他下手的。菲利斯帶著梅芙逛了公司一圈，梅芙拉攏了他與席維斯，說服兩人改寫她的程式，將她的知覺指數調到最高而忠誠心調到最低。

泰瑞莎與海爾兩人都為了董事會秘密的偷取樂園的秘密研究，希望藉此將福特逐出樂園並防止福特將所有研究成果毀滅作為報復。她們設計了一場事件以表示福特的「冥思」代碼使得接待員在其故事線中變得暴力且無法控制。伯納以上傳未測試的失敗程式碼而遭到咎責並被開除。在逃離的火車上，威廉與迪樂芮互訴衷腸並發生性關係，但火車卻被一群美利堅聯盟國陸軍埋伏，逼迫威廉、迪樂芮與勞倫斯棄火車逃離。在逃跑時，一群充滿敵意，被稱為「鬼國」的原住民夾擊美利堅聯盟國陸軍。迪樂芮、威廉與勞倫斯分道揚鑣並往西前進。在此同時，梅芙發現她的好友克萊曼婷遭到工作人員退役，因此決定利用菲利斯與席維斯逃離樂園。伯納將泰瑞莎帶到17區，她在隱藏的實驗室中發現了設計圖，揭曉了伯納也是接待員，福特出現並在罔顧董事會的想法下奪回樂園的完整控制權，接著他命令伯納殺害泰瑞莎。

福特讓伯納將泰瑞莎的屍體偽裝成意外身亡，伯納在出現自己攻擊愛西的幻覺之後遭福特消除記憶。史塔伯對伯納的舉止感到疑惑。海爾為達到目的而與賽斯摩結盟。梅芙說服菲利斯給予她控制其他接待員的能力，她被席維斯殺試圖害未果而被菲利斯拯救，因此梅芙將席維斯割喉作為懲戒並留菲利斯一命。梅芙出現了更多有關她過去與女兒生活的幻覺，因而反射性的殺害了一個接待員，使得樂園工作人員將其退役進行診斷。威廉與迪樂芮終於到達目的地：福特的教堂，迪樂芮在該處產生了更多可怕的幻覺，進而理解到阿諾要她記得某事。兩人遭到羅根率領的美利堅聯盟國陸軍捕捉。泰迪腦海中出現了黑衣人攻擊迪樂芮的閃回片段而審問他，黑衣人供述他尋找迷宮的緣由是為了尋找其妻自殺死亡後的人生目的。泰迪遭到一名女性接待員傷害後，兩人被懷特的邪教徒捕獲。

黑衣人對迪樂芮逼問懷特與迷宮中心的所在，並揭露了他的真實身份是年老的威廉。迪樂芮因而回想起阿諾要她殺害他並毀滅樂園，而她就是懷特。她試圖反擊，泰迪前來援助，兩人逃到了遠處的海灘，迪樂芮在泰迪的懷中死去，但這後來被揭露為福特的故事線的其中一部分。在梅芙逃離樂園的期間，在海特與艾瑪蒂絲的協助下，她們找到了伯納的屍體，而菲利斯修復了他。伯納警告梅芙她這一連串逃離樂園的動作其實是已經被編寫在她的程式裡面。梅芙雖然持續逃脫，但是在她坐上離開樂園的列車時產生了另一個想法，立刻離開了發車的列車回去樂園尋找女兒，此時也揭示了包含「將軍極樂園」的六個主題樂園存在。回到西方極樂園，福特告訴迪樂芮與伯納他十分後悔在阿諾之死中所扮演的角色，並花了35年準備讓接待員可以反抗。他之後在海爾、黑衣人以及其他賓客面前發表演說，批評他們對樂園的掌控。迪樂芮隨後舉槍殺害福特，而森林中也出現了被重新啟動的接待員大軍。

在西方極樂園接待員暴動的同時，一名在樂園英屬印度主題區域的遊客艾蜜莉為逃離失序而暴力的接待員而無意中逃入西方極樂園，並遭鬼國接待員俘虜。在鬼國接待員押送這批人時她設法逃脫了。海爾與伯納為追蹤已退役的彼得·艾伯納西遭到南方軍擒獲，逃離的海爾則與迪洛斯的一個維安小隊會合。迪樂芮在確保了南方軍的領袖奎多克少校的支援後，在營區發現功能錯亂的彼得並請求伯納去修復他。而此時的伯納因為頭部創傷沒有完全被修好，出現手抖的症狀。伯納在修復彼得時發現他被不明團體追蹤。迪樂芮與她的盟友與維安小組交戰，在犧牲大多數南方軍的情況下獲得勝利，而海爾在此時聲東擊西綁走彼得。梅芙、海特與賽斯摩遭遇鬼國接待員的一場計劃襲擊，在被逼進地下控制中心後與艾瑪蒂絲、菲利斯以及席維斯重聚。六人返回樂園，但卻迷了路，並且遭到一名日本武士接待員襲擊。

在樂園邊境，梅芙一行被逮捕並被送到幕府極樂園中，該地的很多人物照搬了西方極樂園的接待員人格，但氛圍更加血腥暴力。由於園區動盪，無人維護，當地接待員的行為方式逐漸偏離正軌。梅芙一行被帶到一個鄰近小鎮並見到了一扮演與梅芙相同角色的藝妓茜。茜因當地的將軍為了將她旗下最好的舞妓櫻帶走而與其協商。當茜殺死將軍的使者後，將軍派遣忍者綁架櫻並派武士征服小鎮。梅芙在情急之下，學會了不用語音指令控制忍者接待員，並使其自殺。梅芙、茜與賽斯摩三人假扮成中國使節滲透進將軍紮營處拯救櫻，發現將軍接待員頭部受損而不穩定。梅芙一行的假扮被識破，將軍要求茜和櫻在晚上為他跳舞助興。夜晚，將軍居然在眾人面前殺了櫻，茜在悲憤之中殺死了將軍而梅芙無聲地控制將軍武士自相殘殺。在將軍的軍隊殺回營地時，梅芙、茜與賽斯摩各自武裝準備迎戰。同時在西方極樂園，迪樂芮對泰迪產生質疑，她認為泰迪是個正直的人，但他的正直對她來說是個累贅，因此在與他發生性關係後強行改寫了他的程式，使他變得殘忍暴力。

梅芙一行在幫助茜哀悼櫻後經由地下隧道離開，茜與武藏則選擇留下。回到西方極樂園後，梅芙找到了她的女兒，但發現另一個接待員在飾演其母親。鬼國接待員攻擊了他們，其首領阿凱奇塔要求梅芙跟他們走。海爾與史塔伯將彼得帶回台地並發送撤離訊號，使得一群傭兵取代迪洛斯保安小組掌握狀況。迪樂芮與她的人馬使用了塞滿爆裂物的火車炸進台地開路以尋找彼得。伯納與愛西從別處返回台地並發現某物試圖干擾整個園區的安保系統，而干擾的源頭來自「母巢」：母巢則是接待員資料的備份庫。伯納使用接待員介面機將自己直接接入母巢。在母巢中以甜水鎮為藍本的空間內，伯納居然在酒館見到等待他的羅伯·福特，十分震驚。

梅芙試圖逃離台地並與她的人馬會合，並成功追上了往山谷聚集的接待員群體。期間遭到安保部隊的攔截，賽斯摩犧牲自己，拖延了保安的追擊。海爾一方則放出被改造的克萊曼婷，自己跟在後面，要在山谷把接待員一網打盡。迪樂芮在收拾心情並取出泰迪的心智球後，發現了幾乎瘋癲的威廉，在對他的槍做了手腳後要求他與自己一道奔向山谷。在和伯納會合後，威廉突然襲擊迪樂芮，卻因為手槍炸膛右手被打爛，失去了行動能力。迪樂芮與伯納進入山谷內部實驗室並發現了「鍛造廠」：「母巢」的更先進版本，但是功能在於存儲、分析並模擬遊客的數據。負責鍛造場的人工智慧以羅根的型態出現，並向他們闡明移植人類意識的計劃不成功存在是因為人類行為模式的複雜性被高估：人類的意願和行為經常存在無法解決的矛盾，而且其軌跡走向存在某種模式，用一萬餘行代碼就可以很好地刻畫並預測。「羅根」還說，伯納曾一度監督「彼端山谷」的建設，即創造一個虛擬的人造天堂，把接待員的意識上傳到那裡後他們就不再有痛苦。迪樂芮則在鍛造廠排隊上傳阿凱奇塔等人的心智到鍛造廠中時閱讀了數個遊客資料。迪樂芮態度堅決，認為虛擬的天堂雖然美好，終究不是真實，她要真實的世界，要成為人類的主宰。

伯納回到西方極樂園後發現史塔伯在福特的密室裡「自殺」，但因為是接待員而未死。在史塔伯的幫助下，他們找到了梅芙的軀體，卻發現她的控制元件已不在樂園中。伯納以樂園的系統鑑定出迪樂芮並未污染他的編碼，並發現迪樂芮將包含黎安的數個樂園遊客作為目標。在園區海邊，他重新編寫史塔伯的程式以保護兩人安全回到大陸。梅芙現時在戰爭極樂園發現她的戀人海特已經不認識她，而她也無法控制其他的接待員。絕望之餘，她舉槍自殺後返回控制中心，卻發現兩個人類修理員同伴菲利斯與席維斯也不認識她。在她準備自行以前額葉切除術自殺時，賽斯摩出面解了圍。他聲稱自己在被槍擊後倖存，並幫助梅芙來到鍛造廠。然而，在鍛造廠時，賽斯摩不斷追問關於數據傳輸的細節，並向梅芙傾訴愛意，說自己是因為愛她才為她擋下子彈，但是這些說辭完全不符合賽斯摩的真正動機。在梅芙質問賽斯摩對世界真實性的看法時，整個系統出現了延遲，表明一切都是在虛擬實體裡面。梅芙明白既然她所處的環境是對現時園區的虛擬復刻，而且這個系統的目的很單一，就是想套出她的秘密，那麼其記憶體必然有存取上限。梅芙通過使劇情複雜化的方法使系統運算超載，在這一時間窗口開啟後台，駭入現實世界中的機器人並奪回控制元件，但遭到保全部隊攻擊，逃跑失敗。梅芙之後於真實世界醒來並遇見了瑟拉克，瑟拉克承認他通過人工智慧系統干預人類未來的走向，但是接待員對人類世界的入侵挑戰了他對未來的掌控權。瑟拉克希望梅芙為他除掉迪樂芮，梅芙不從。他於是強行關閉梅芙運動功能，並期待下一次對話時她能改變心意。