Alors que l’espèce humaine s’adapte à un environnement de synthèse, le corps humain est l’objet de transformations et de mutations nouvelles. Avec la complicité de sa partenaire Caprice (Léa Seydoux), Saul Tenser (Viggo Mortensen), célèbre artiste performer, met en scène la métamorphose de ses organes dans des spectacles d’avant-garde. Timlin (Kristen Stewart), une enquêtrice du Bureau du Registre National des Organes, suit de près leurs pratiques. C’est alors qu’un groupe mystérieux se manifeste : ils veulent profiter de la notoriété de Saul pour révéler au monde la prochaine étape de l’évolution humaine…

L’Ouest américain, dans les années 1860. Après avoir fait la rencontre de Holger Olsen (Viggo Mortensen), immigré d’origine danoise, Vivienne Le Coudy (Vicky Krieps), jeune femme résolument indépendante, accepte de le suivre dans le Nevada, pour vivre avec lui. Mais lorsque la guerre de Sécession éclate, Olsen décide de s’engager et Vivienne se retrouve seule. Elle doit désormais affronter Rudolph Schiller (Danny Huston), le maire corrompu de la ville, et Alfred Jeffries (Garret Dillahunt), important propriétaire terrien. Il lui faut surtout résister aux avances plus qu’insistantes de Weston (Solly McLeod), le fils brutal et imprévisible d’Alfred. Quand Olsen rentre du front, Vivienne et lui ne sont plus les mêmes. Ils doivent réapprendre à se connaître pour s’accepter tels qu’ils sont devenus…