미국 캘리포니아의 억만장자이자 첨단기술센터 데겔 사의 설립자인 조지 비숍은, 인류 역사상 가장 위대한 과학 이벤트인 튜링 테스트를 개최한다. 안드로이드가 1년 동안 그 누구에게도 정체를 들키지 않고 무사히 학교를 다니면 1억 달러의 상금을 지급한다는 것이었다. 이에 철학자 캣닙 교수가 이끄는 안드로이드 연구팀은 튜링 테스트에 참가하기 위해, 긴 연구 끝에 개발한 최첨단 안드로이드 ‘도티’를 브루셀 아카데미에 입학시킨다. 그리고 도티가 좀 더 빨리 인간의 사회 기술을 배울 수 있도록 연구실이 아닌 캣닙 교수의 집에서 지내게 된다. 하지만 이 사실을 전혀 모르는 캡닛 교수의 가족은 외모는 열두 살 여자아이지만 말과 행동은 평범하지 않은 도티가 못마땅하기만 하다. 그렇게 도티는 정체를 꽁꽁 숨긴 채 아슬아슬한 동거를 시작한다.

하지만 도티의 비밀 생활은 결코 만만치가 않다. 도티가 제아무리 인간과 비슷하다 해도 몸 안에 탑재된 프로그램에 따라 행동하다 보니, 등교 첫날부터 같은 반 친구 마틴의 의심을 사고 사사건건 실수를 연발한다. 학교 실험실에서 분젠 버너의 불꽃을 보고 화재로 오해해 소화기를 뿌리고, 체육 시간에 축구 경기 도중 규칙을 꼭 지킬 필요 없다는 선생님의 말만 믿고 친구의 정강이를 걷어차고, 캣닙 교수의 아들이자 동갑내기인 리키가 최신형 휴대폰을 갖고 싶어 하자 3D 프린터로 돈을 인쇄해 리키에게 건네기도 한다.

그럴 때마다 도티의 모든 언행을 모니터링하고 있던 캣닙 교수님으로부터 그러한 행동이 왜 잘못되었는지 하나씩 배운다. 이 과정을 통해 도티는 인간의 도덕?관습?규칙을 익히는 한편, 인간 사회의 모순과 복잡다단한 양면성에 적응하면서 보다 인간다워지기 위해 노력한다. 그렇게 수많은 시행착오를 겪으면서 어느새 리키와 부쩍 가까워지고, 학교 친구들과도 마음을 나누며 튜링 테스트의 우승에 조금씩 다가간다.

220일이 훌쩍 넘은 어느 날, 도티는 캣닙 가족과 함께 사파리 공원에 놀러간다. 그런데 그곳에서 우리를 탈출한 곰이 사람들을 위협하는 장면을 목격하게 된다. ‘비상시 생명 구조 코드’가 작동한 도티는 자신의 프로그램에 따라 곰을 다수의 사람들로부터 소수의 캣닙 가족 쪽으로 유인한다. 곰이 캣닙 가족을 덮치기 직전, 다행히 곰이 사육사가 쏜 마취 총에 맞아 쓰러지지만 도티가 그 밑에 깔리면서 온몸이 부서지고 만다. 그때 떨어져 나온 도티의 한쪽 발을 본 리키는 아빠에게 모든 진실을 듣고 충격에 휩싸인다.

도티 연구팀은 도티의 기능이 완전히 멈췄다고 믿고, ‘새 도티’를 복제해 튜링 테스트를 계속 이어 나가기로 결정한다. 하지만 메인 컴퓨터가 건재했던 도티는 이 모든 상황을 듣고 있었고, 이대로 연구실 창고에 처박힐 수 없다며 분노한다. 도티는 다시금 학교로, 캣닙 가족의 곁으로 돌아갈 수 있을까? 과연 인간 도티로서 끝까지 살아남아 튜링 테스트의 우승을 거머쥘 수 있을까?