La película cuenta la historia del Dr. Ian Gray (Michael Pitt), un biólogo molecular que estudia la evolución del ojo humano. Después de un breve encuentro con una exótica joven (Astrid Bergès-Frisbey), su trabajo va a invadir su vida por completo. A medida que sus investigaciones continúan junto a su compañera de laboratorio, Karen (Brit Marling), descubren algo sorprendente con implicaciones de amplio alcance que complican sus creencias científicas y espirituales. Entonces, emprende un viaje por medio mundo, en el que arriesga todo lo que sabe para validar su teoría.