不久的未來,成立了一座高科技、高度仿真的成人樂園迪洛斯,其中有三個主題「世界」——西部世界(模擬美國西部)、中世紀世界(模擬中世紀歐洲)和羅馬世界(模擬古羅馬城市龐貝)。三個世界中的居民都是逼真的人形機器人,專為所在世界的歷史環境而製造,幾乎和真人沒有區別。遊客們每天花1000美元,就能在樂園中的一個世界中為所欲為,任意與人形機器人做愛,或者殺死他們。迪洛斯的廣告詞中這樣寫到,「朋友們,該來這裡享受假期了!」
兩個人進入了西部世界,皮特馬丁是第一次來迪洛斯玩,而他的朋友約翰布萊恩已經是熟客了。西部世界的特色之一是一名槍手,一個專為挑起手槍格鬥而設計的機器人。西部世界中給遊客配發的槍上裝有溫度感應器,能夠防止遊客間互相開槍,或者擊中其他溫度較高的東西,但機器人並沒有溫度,因此可以被遊客「射殺」。槍手的程序能夠讓遊客在決鬥中從容拔槍殺死槍手,百戰百勝,而第二天機器人就會被修好並送回西部世界。
負責維護迪洛斯運行的技師發現機器人出了問題,並在機器人中像傳染病一樣散播。羅馬世界和中世紀世界裡,機器人崩潰和系統故障的頻率越來越高,而且可能已經傳到了西部世界。一個計算機專家對此不屑一顧,認為這是「傳染病的模擬」,但技師總監說,「我們處理的不是一般的機器。這些是十分複雜的設備,幾乎和活的器官一樣複雜。有的甚至是其他計算機設計的,我們根本不知道他們的工作原理。」
樂園內的故障越發增多,西部世界里一條機器響尾蛇咬了布萊恩,同時在中世紀世界,一個機器人背離程序,拒絕了遊客的求愛。當中世紀世界裡的一個黑色騎士機器人持劍決鬥殺死一個遊客之後,樂園的系統徹底失控了。管理人員試圖切斷整個公園的電源,但斷電卻使中控室自動上鎖,把他們困在裡面,沒法恢復供電,也沒辦法逃脫。與此同時,三個世界裡的機器人依靠身上的備用電源開始瘋狂濫殺。
馬丁和布萊恩在西部世界妓院酒吧的吵鬧聲中醒來,對樂園中的變故毫不知情。當槍手再次出現發起挑釁的時候,布萊恩像往常一樣打算輕鬆應,卻被槍手一槍擊倒。馬丁趕忙逃命,槍手開始不依不饒地追蹤他。
馬丁逃到迪洛斯的其他區域,但那裡只有遊客的屍體、損壞的機器人和試圖逃離德洛斯卻被槍手打死的技師。馬丁爬進羅馬世界的一個下水井,進入了地下控制中心,發現通風系統因為斷電停止工作,樂園的技師已經因窒息死在控制室里。槍手在地下走廊中緊追不放,馬丁逃進了修理機器人的實驗室。馬丁偽裝成機器人,當槍手走進屋裡時把酸液灑向機器人使其癱瘓,然後成功逃脫,回到了地上的中世紀城堡里。
酸液腐蝕了槍手的視覺系統,他只能靠紅外線掃描器尋找馬丁的蹤跡。馬丁躲在在城堡大廳燃燒的火炬後以掩飾自己的位置,隨後用一個火炬點燃了機器人。燒焦的槍手繼續攻擊馬丁,但最終還是倒下了。馬丁驚魂未定,精疲力盡地坐在地牢的台階上,耳邊不斷迴響著迪洛斯諷刺的廣告,「朋友們,該來這裡享受假期了!」