这个女人死而复生，每天都重复着自己的剧情。她是初代机器人德洛丽丝，西部世界乐园里的老“接流连忘返待员”。
早上，德洛丽丝于清晨阳光映照之下，从梦中醒来。同往日一样起身下楼，向父亲艾伯纳西道别，出门写生，去镇上转转。在镇上她会遇到出远门归来的男友泰迪，随后他们骑马去草原看风景，等到晚上回家后，她会被一伙强盗所杀，然后次日又在自己的卧室醒来，周而复始。
镜头一转，伴随着充满西部风情的钢琴曲，从外地归来的德洛丽丝的男友泰迪提着行李箱走下火车，与他来到这甜水镇的还有不少新住民。甜水镇，如往常的热闹繁荣。泰迪来到镇上的酒馆。无视姑娘克莱曼婷的调笑和老板娘梅芙的调侃。透过橱窗，他看到了美丽清甜的德洛丽丝。捡起德洛丽丝掉在地上的罐头，彼此对视的目光中，充满着爱意，虽然很久没见，但他们从未失去感情。
他们骑着马来到了草原上，谈天说地，倾诉衷情。直到晚上，泰迪才把德洛丽丝送回她的家。
正好一回到家，德洛丽丝便发现家里的牛还在外面乱跑。父亲是绝不会在这个时间还把牛放出门的。发生了什么？喔，眼前惨绝人寰的景象让德洛丽丝崩溃了，一伙牛奶大盗已经杀害了德洛丽丝的父母。
就在这时，一位神秘的黑衣人突然出现在德洛丽丝面前，他是游客，他跟前来甜水镇享乐的其他人不同，他不仅仅是为了满足一己私欲，还带着更深层次的目的，就是为了寻找叫做迷宫的物件，他找上了德洛丽丝，迷恋的看着德洛丽丝，声称自己认识德洛丽丝三十年了。
这边把土匪击毙的泰迪，打算把黑衣人击倒，然而声响之后，黑衣人屹立不倒，并步步紧逼，傲慢地告诉泰迪，新住民是他们伤害不了的，而泰迪他们却可以被新居民随意处置。泰迪茫然的跪下，最随后被黑衣人回首击毙，而手无缚鸡之力的德洛丽丝哭喊着被黑衣人拖了进谷仓，在泰迪的眼中关上了门。
清晨，一切又恢复原样，乐园的管理者已经修复了德洛丽丝他们的受损部件，并清除了他们所有痛苦的记忆。德洛丽丝在晨光中醒来，泰迪也在开往甜水镇的火车上醒来。西部世界一如既往地重复着之前发生过的事。
西部世界是福特博士一手策划的乐园，它是一座以西部风格为主题建成的巨型高科技游戏基地，里面的居民是供游人玩乐、游戏的“接待员”，这些“接待员”都是他属下公司制造的逼真人形机器人。通过逼真的场景，凡是进入乐园的玩家，都可以体验到为所欲为的真人版模拟人生。可以不担心有法律和道德伦理的束缚，可以肆无忌惮的享尽拟真人机器“接待员”情感的放纵与宣泄，甚至可以随意处置“接待员”，如德洛丽丝、如泰迪，都能为游客带来最真实的体验。而且这个乐园的入场费不菲。到过的不少有钱人都乐而忘返。
此时，公司里的运营人员伯纳德和行为部的艾尔西给乐园里的机器人编排剧本，对机器人进行编程。可最近，乐园里出现了不少不按剧本编排行动的机器人，出现了机器人的反叛。这让很多运营人员担心，尤其是女高管卡伦。她认为应该把这些不可控制的机器人直接回收，不再循环使用，但福特却不甚赞同。福特认为这些机器人出现反叛，都是有原因的，只是多次循环使用，才令他们的意识和记忆出现了错乱。这正是福特为了让自己的作品更接近人类，给他们植入了冥想的意识系统，让他们得以自发性的思考。
剧情再回到我们的甜水镇新的一日清晨，德洛丽丝告别父亲。在原有剧情的基础上，又多聊了一些，然后出门写生。泰迪这个时候也乘坐火车来到甜水镇的酒馆。泰迪看到橱窗外德洛丽丝的身影便走出酒馆，却在跨出门的时候被一群游客拉去开启其他任务。德洛丽丝的罐头再次掉在了地上，而这次帮他捡起的人却变成了黑衣人。而这次黑衣人的到来似乎来者不善。野外的山里，接了另外任务进山抓土匪的游客夫妻俩，跟随着领队的警长行进在山里，中途警长出现故障，剧情卡顿，游客丢弃任务离去，警长返场。
对机器人出现不可控制的问题，处理中引起了运营部高管卡伦、技术部门伯纳德和编剧部之间的热烈争执。
德洛丽丝在野外写生，遇上一家三口游客，小孩抬头问德洛丽丝，“你是他们其中之一对不对”，德洛丽丝笑了。老父亲艾伯纳西迎着夕阳关上牛栅栏，却在脚下发现了一张来自现实世界的照片，这让他对这个世界产生了怀疑。随后，一连串的记忆在他脑海里涌现。原来他在西部世界里曾经扮演过大学教授和食人族。现在在这个剧本里，他扮演的是德洛丽丝的父亲。
晚上，黑衣人的游戏程序仍在继续。当天夜里，牛奶大盗失控，保安队长带队上线清场，女高管卡伦再次坚定了自己的决定。卡伦找上了技术部门总监伯纳德，提出撤出所有带有冥思程序的机器人。然而，伯纳德没有回应他，而是找到了福特。伯纳德是福特一手提拔上来的，已经跟随他很多年了，所以忠心耿耿。不过伯纳德也劝福特纠正机器人出现的错误。可是福特老爷子态度坚定，他说，机器人因为出错才显得更真实，只是错误往往也会导致问题的出现。
这天清晨，艾伯纳西用尽了自己毕生所知道的知识，借用莎士比亚的名句贴着德洛丽丝的耳朵告诉德洛丽丝，他说“这些残暴的欢愉终将在残暴中结束”，说完后，他自己就出故障，限入了混乱。这情况吓坏了德洛丽丝，她连忙骑马去镇子上找医生。
在镇子上，德洛丽丝与泰迪重逢。突然，一伙神秘人来到了镇子上。原来是公司编剧应高管的安排，连夜升级修改了剧本，让小豹子海特提前一周来到了镇子上，并得意洋洋地准备新的游戏任务。下一刻，新的画面出现，海特带队，酒馆剧本，全程高能，上演了一曲抢劫的故事，人挡杀人，佛挡杀佛，顺利带走保险柜。
原本剧本任务已经结束，但是，在完成任务时海特却发表了他的演讲，接着出现了话多的反派者都死掉的画面。这时，刚好任务失败的游客夫妇来到，他们以救世主的姿态完成了对反派的双杀。德洛丽丝的男友泰迪在其中为了保护德洛丽丝也中弹身亡，角落里，泰迪生命垂危，德洛丽丝伤心落泪。另一边的游客夫妇以胜利者的姿态在拍照，他们体验到了成为英雄的乐趣。然后，前来处理机器人的工作人员结束了德洛丽丝这悲惨的一日。
事后，公司员工对这些已经下线的“接待员”们逐一进行程序排查。
工作中，卡伦等人意识到艾伯纳西和德洛丽丝在早晨时的那一场异常的对话可能会有后患，于是单独对他们重新检测设定程序。实验室中，艾伯纳西的异常仍然处于抽搐状态，口中重复念叨着莎士比亚的诗句。福特亲自进行测试，在接受盘问中，艾伯纳西透露了很多反叛的念头。甚至用莎士比亚的诗句对福特说，“以肮脏龌龊的匠人之手，我必对你加以报复”。通过这两句话，福特意识到这个机器人已经诞生了自主意识，这就不是简单的故障，今后都无法再投入使用，于是将这个机器人艾伯纳西送进了废品仓库。
与此同时，德洛丽丝也在接受测试。管理员们不知道她父亲的意识是否对她造成了影响，询问中，德洛丽丝保持着一如既往的机器人姿态，面无表情，情绪毫无波动，管理员也没发现什么异常，源于德洛丽丝是西部世界里最老的一位“接待员”，运营人员对德洛丽丝很放心，于是再将德洛丽丝重新投入西部世界继续当“接待员”。但是为了保险起见，还是将德洛丽丝的程序进行了重置。
又换了新的一日，早上，德洛丽丝她向换成了另外机器人的父亲道别，然后准备出门写生。她一脸笑意地享受着晨曦的阳光。泰迪也在开往甜水镇的火车上醒来。山野中的黑衣人切下了一位“接待人”的头盖骨，骑上马，行向远方。德洛丽丝站在门廊下，似乎在想着什么。一只飞虫落在了他的脖子上，她用手掌忙着拍按住，游戏程序又开启新的日程了。