Zoe racconta la storia dell'amore proibito fra un ingegnere e un robot. Zoe (Lea Seydoux) e Cole (Ewan McGregor) sono colleghi e amanti in segreto, in un laboratorio che lavora alla creazione di relazioni d'amore perfette. Ma il loro rapporto è minacciato quando Zoe ne scopre la verità e questo li getterà in una spirale di confusione, tradimento e della più intensa emozione umana, l'amore.
