In un lontano futuro, l'ingegnere Ava Turing è una tra i membri di una squadra di ricerca inviata tramite l'Agenzia Spaziale Internazionale (ISA) per esplorare la luna di Giove, Europa. Mentre Ava rimane in sonno criogenico, gli altri membri della squadra vengono svegliati e partono verso la luna per allestire la base e iniziare i loro studi, con Ava prevista per svegliarsi una volta che la base sarà completata. Qualche tempo dopo, Ava viene svegliata dalla Technical Operations Machine (T.O.M.), un'intelligenza artificiale che controlla il progetto. T.O.M. dice ad Ava che i suoi compagni di equipaggio sono in pericolo e che deve scendere lì per aiutarli. In fretta parte a bordo di un lander ed entra nella base su Europa. T.O.M. riconosce rapidamente che la configurazione interna della base è cambiata rispetto ai loro registri, e che per progredire nel complesso, Ava deve superare vari test progettati come enigmi del gioco. Mano a mano che Ava avanza nel complesso, T.O.M. determina che alcuni membri dell'equipaggio sono già morti e gli altri hanno bisogno del loro aiuto, esortando Ava a muoversi più in fretta. Man mano che i test diventano più difficili, T.O.M. si rende conto che sono progettati per essere risolti tramite una combinazione di intelligenza umana e artificiale, in modo simile al vero test di Turing. Entrano in un'area dove una delle restanti membri dell'equipaggio, Sarah, avverte Ava tramite i sistemi di comunicazione che in realtà è controllata da T.O.M. a causa di un chip speciale impiantato nella sua mano quando partirono per la missione. Sarah guida Ava verso una gabbia di Faraday, che temporaneamente libera Ava dal controllo di T.O.M. Tuttavia, T.O.M. riesce a convincere Ava che i due devono continuare a lavorare insieme per salvare i loro colleghi. Pur indignata dall'intrusione di T.O.M. nel suo corpo, Ava continua. T.O.M. alla fine rivela che l'equipaggio di superficie aveva trovato nel profondo della luna un microorganismo che potrebbe essere usato per rigenerare il DNA all'infinito; questo potrebbe potenzialmente rendere gli esseri umani immortali, ma anche rigenerare all'infinito batteri e virus. Quando l'ISA venne a conoscenza di questa scoperta, ordinò a T.O.M. di intraprendere qualsiasi azione necessaria per assicurarsi che l'equipaggio di Europa non potesse mai tornare sulla Terra, inizialmente adottando provvedimenti come farli morire di fame o rinchiuderli fuori dalla base, ma alla fine usando i chip impiantati nella mano per controllarli. L'equipaggio di superficie si rese conto di essere controllato, e coloro che non morirono per le azioni di T.O.M. trovarono un modo per liberarsi dal chip nel loro corpo, tra cui, in un caso, tagliare completamente il braccio. Con nessun modo per controllare l'equipaggio di Europa, l'ISA ordinò a T.O.M. di risvegliare Ava e inviarla per impedire agli altri di tornare. Alla fine, completati gli ultimi test predisposti dall'equipaggio di superficie, Ava trova Sarah di persona, e quest'ultima si offre di rimuovere il chip impiantato nella mano di Ava; Ava accetta. Le due si rendono conto che l'unico modo per lasciare Europa è fermare T.O.M. e iniziano a disattivare i suoi database. A quel punto il giocatore prende il controllo di T.O.M. e di una delle sue armi di sentinella, che può usare per uccidere Sarah e Ava, assicurando che l'organismo non lascerà mai Europa, oppure non fare nulla, portando infine alla fine di T.O.M. e permettendo ad Ava e Sarah di fuggire.