效力于某知名搜索引擎公司的程序员加利·史密斯（多姆纳尔·格利森 Domhnall Gleeson 饰）幸运地抽中老板纳森（奥斯卡•伊萨克 Oscar Isaac 饰）所开出的大奖，他将受邀前往位于深山的别墅中和老板共度假期。在与世隔绝的别墅中，纳森亲切地接待了这位员工。 事实上他邀请加利到来还有另一个目的，那就是协助他完成其所开发的智能机器人的测试。天才一般的纳森研制了具有独立思考能力的智能机器人伊娃（艾丽西亚·维坎德 Alicia Vikander 饰），为了确认她是否具有独立思考的能力，他希望加利能为伊娃进行著名的“图灵测试”。似乎从第一眼开始，加利便为这台有着宛如人类般姣好容颜的机器人所吸引。 　　在随后的交流中，他所面对的似乎不是冷冰冰的机器，而更像是一个被无辜囚禁起来的可怜少女……

故事发生在上一作的20年之后，此时的简（艾米莉·莫迪默 Emily Mortimer 饰）与迈克尔（本·威士肖 Ben Whishaw 饰）已经长大成人，两人都经历了人生的种种酸甜苦辣。妻子过世之后，迈克尔肩负起了养家和照顾孩子的职责，无奈安娜贝尔（皮格茜·戴维斯 Pixie Davies 饰）、约翰（纳撒内尔·萨利赫 Nathanael Saleh 饰）和乔治（乔尔·道森 Joel Dawson 饰）都颇有他们老爹当年的风范，调皮的可怕，令迈克尔一想起来就头皮发麻，只得召唤姐姐简前来帮忙。 　　某日，孩子们在公园玩耍，一阵大风带来了从天而降的魔法保姆玛丽（艾米莉·布朗特 Emily Blunt 饰） ，她的回归给这个岌岌可危的家庭带来了新的希望。