不久的未来，成立了一座高科技、高度仿真的成人乐园迪洛斯 （Delos），其中有三个主题“世界”——西部世界（模拟美国西部）、中世纪世界（模拟中世纪欧洲）和罗马世界（模拟古罗马城市庞贝）。三个世界中的居民都是逼真的人形机器人，专为所在世界的历史环境而制造，几乎和真人没有区别。游客们每天花1000美元，就能在乐园中的一个世界中为所欲为，任意与人形机器人做爱，或者杀死他们。迪洛斯的广告词中这样写到，“朋友们，该来这里享受假期了！”。两个人进入了西部世界，皮特·马丁 （ 理查德·本杰明 饰）是第一次来迪洛斯玩，而他的朋友约翰·布莱恩 （ 詹姆斯·布洛林 饰）已经是熟客了。西部世界的特色之一是一名黑衣枪手 （ 尤·伯连纳 饰），一个专为挑起手枪格斗而设计的机器人。西部世界中给游客配发的枪上装有温度感应器，能够防止游客间互相开枪，或者击中其他温度较高的东西，但机器人并没有温度，因此可以被游客“射杀”。黑衣枪手的程序能够让游客在决斗中从容拔枪杀死黑衣枪手，百战百胜，而第二天机器人就会被修好并送回西部世界。负责维护迪洛斯运行的技师发现机器人出了问题，并在机器人中像传染病一样散播。罗马世界和中世纪世界里，机器人崩溃和系统故障的频率越来越高，而且可能已经传到了西部世界。一个计算机专家对此不屑一顾，认为这是“传染病的模拟”，但技师总监 （ 艾伦·欧朋海默 饰）说，“我们处理的不是一般的机器。这些是十分复杂的设备，几乎和活的器官一样复杂。有的甚至是其他计算机设计的，我们根本不知道他们的工作原理”。乐园内的故障越发增多，西部世界里一条机器响尾蛇咬了布莱恩，同时在中世纪世界，一个机器人背离程序，拒绝了游客的求爱。当中世纪世界里的一个黑色骑士机器人持剑决斗杀死一个游客之后，乐园的系统彻底失控了。管理人员试图切断整个公园的电源，但断电却使中控室自动上锁，把他们困在里面，没法恢复供电，也没办法逃脱。与此同时，三个世界里的机器人依靠身上的备用电源开始疯狂滥杀，所有逃离者被锁定。马丁和布莱恩在西部世界妓院酒吧的吵闹声中醒来，对乐园中的变故毫不知情。当黑衣枪手再次出现发起挑衅的时候，布莱恩像往常一样打算轻松应，却被枪手一枪击倒。马丁赶忙逃命，枪手开始不依不饶地追踪他。马丁逃到迪洛斯的其他区域，但那里只有游客的尸体、损坏的机器人和试图逃离德洛斯却被枪手打死的技师。马丁爬进罗马世界的一个下水井，进入了地下控制中心，发现通风系统因为断电停止工作，乐园的技师已经因窒息死在控制室里。黑衣枪手在地下走廊中紧追不放，马丁逃进了修理机器人的实验室，在孤立无援的环境下，他只能拼尽全力放手一搏 。