突然变异诞生的新人类露西，因某研究设施作为研究对象被拘留了，偶然拘束被解除了，警备员们向全裸戴面具的露西追，反遭露西杀戮，露西向设施逃出，向大海走去被枪打到头部沉入海底。另一方面，大学入学的原因，青梅竹马居住的城市，去镰仓来的大学生耕太，在海岸边与不说话的不可思议的少女邂逅。

因妹妹的遗物贝壳被妮悠打碎了，妮悠被耕太赶家去，在夜晚海滩上寻找贝壳，耕太由于担心妮悠出来寻找妮悠，妮悠被派遣的特殊部队的坂东发现，妮悠的记忆苏醒变成了露西。露西对特殊部队的枪械攻击无效并大开杀戒，因大脑受刺激的露西再次变回妮悠。

耕太在给被雨淋湿的妮悠换衣服的时候，被由香看到了，慌慌张张的辩解，生气的由香冲出家门。那个时候，研究所藏间和娜娜会面，好久没见藏间的娜娜很高兴，藏间将娜娜的抹杀拜托给了娜娜。无意见在家里看到八音盒的妮悠，唤醒了曾经的记忆，走出了家门，却碰到了娜娜…

娜娜遵守了藏间的约定，与露西起了冲突。但是，露西说服娜娜无视那个场合打算走开，突然露西的行动被娜娜控制，为了救无意出来的真由，娜娜被露西切断双手双腿，在露西要杀死娜娜时，被赶来的藏间等人阻止，娜娜也被送回研究所。

枫庄的早上，去房间叫醒真由的由香，发现了真由留下的纸条，真由一个人在大街上流浪，想起曾经的往事，而耕太等人也在寻找真由，在警察的帮助下终于找到真由，被耕太带回家，由香拿出蛋糕，同时真由想起今天是自己的14岁的生日，不禁流泪。

受伤的坂东拿自己的生命作为交换去做手术并强化了身体，坂东将医生殴打从医院逃脱。那个时候，耕太担心被收养的妮悠出去寻找，发现自己被角泽教授骗了，角泽教授的助手荒川把耕太地下实验室去，发现了角泽教授被切断的头，受到了打击，并发现了角泽教授的头部长有角。另一方面，坂东也遇到了救了自己的真由，并许下了还人情的承诺。

从研究所坐船漂流到海岸的娜娜，因头部的角被坂东发现，因特制的50口径钨弹娜娜被打倒，听从藏间的话坚持不与人类打架的娜娜最终黑化觉醒，并开始反击，赢了的娜娜在街头流浪，被真由的小狗旺太发现，决定先回耕太家。

耕太把娜娜带到枫庄后，娜娜随即看到认为是露西的妮悠，并开始攻击，耕太看到这场景打了娜娜一巴掌，委屈的娜娜跑出了枫庄。昏迷醒来的妮悠想到了小时候的事…与此同时，角泽教授的头也被带到研究所。

在露西的记忆中，露西养的小狗被孩子们惨杀，沉浸在悲伤中的露西因八音盒的曲子与年幼时候的耕太相遇，耕太说是露西的角很帅并希望与之成为朋友。约定于明天同一地方相见，露西表面不在意但还是来了，雨下的很急，在露西即将放弃的时候耕太出现了，并给露西带了个帽子掩盖头上的角，两人一块去公园等地方玩，露西也渐渐地对耕太有好感，小时的记忆也逐渐浮出水面。

在藏间的记忆中，藏间想起了与娜娜相遇时的事情，研究所对娜娜进行试验测试，摆脱控制的娜娜对警备员大开杀戒，唯独对藏间表示感谢，角泽教授则使用特制武器趁机将娜娜打倒。同时也是藏间妻子孩子即将诞生的日子，不幸的是孩子却长了角，藏间的决定是…

藏间的亲生女儿真理子，在研究所深部被隔离，为了捕获露西被放出，解放的真理子对警备员大开杀戒最终被制服，真理子的身体被设有定时炸弹，不得不去追捕露西。感受到真理子气息的娜娜独自出来与真理子交战。

被真理子制服的娜娜身体被撕开，前来寻找娜娜的耕太与妮悠目睹了这一场景，研究所藏间的秘书白川以为妮悠是露西前来救耕太，而真理子也因对方是妮悠不是露西迟迟不肯动手，最终妮悠唤醒了记忆变成了露西，在耕太面前大开杀戒，耕太也因此想起了小时的记忆…

取回记忆的耕太头脑混乱，目瞪口呆。与此同时，露西与真理子在展望台相遇，准备开战，最终露西角被折断，重伤倒地。准备捕捉露西的同时，藏间与娜娜出现了，面对亲生女儿的藏间，藏间的枪口指向麻里子，两人最终和解，为了杀死真理子，藏间选择了与真理子一起死，研究所成员同时启动了定时炸弹的开关。露西与耕太相遇，两人和解，露西最终取得了耕太原谅，决定独自面对研究所众人。