San Francisco, Estados Unidos. Eddie Brock (Tom Hardy) é um jornalista investigativo, que tem um quadro próprio em uma emissora local. Um dia, ele é escalado para entrevistar Carlton Drake (Riz Ahmed), o criador da Fundação Vida, que tem investido bastante em missões espaciais de forma a encontrar possíveis usos medicinais para a humanidade. Após acessar um documento sigiloso enviado à sua namorada, a advogada Anne Weying (Michelle Williams), Brock descobre que Drake tem feito experimentos científicos em humanos. Ele resolve denunciar esta situação durante a entrevista, o que faz com que seja demitido. Seis meses depois, o ainda desempregado Brock é procurado pela dra. Dora Skirth (Jenny Slate) com uma denúncia: Drake estaria usando simbiontes alienígenas em testes com humanos, muitos deles mortos como cobaias.
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O jovem Baby (Ansel Elgort) tem uma mania curiosa: precisa ouvir músicas o tempo todo para silenciar o zumbido que perturba seus ouvidos desde um acidente na infância. Excelente motorista, ele é o piloto de fuga oficial dos assaltos de Doc (Kevin Spacey), mas não vê a hora de deixar o cargo, principalmente depois que se vê apaixonado pela garçonete Debora (Lily James).

Kevin (James McAvoy) possui 23 personalidades distintas e consegue alterná-las quimicamente em seu organismo apenas com a força do pensamento. Um dia, ele sequestra três adolescentes que encontra em um estacionamento. Vivendo em cativeiro, elas passam a conhecer as diferentes facetas de Kevin e precisam encontrar algum meio de escapar.