最先端技術を駆使し、壮大なスケールで作られた西部劇の世界の中で、人間が欲望のままに遊びつくすことができるアトラクション“ウエストワールド”。そこでは人間をもてなすために“ホスト”と呼ばれるアンドロイドたちが、シナリオ通りの日々を繰り返していた。ホストの記憶は毎回リセットされるのだが、ウエストワールドの開発者フォード博士があるプログラムを組み込んだことで不具合が現れ始める。

点検を終え、パークに戻されたドロレスだったが、恐ろしい光景が蘇ったり、謎の男の声が頭の中で聞こえたりと、異常が続いていた。ある日、真面目な青年ウィリアムが、来園経験のあるローガンと共に客としてウエストワールドを訪れる。やりたい放題のローガンを尻目に、羽目を外せないでいるウィリアムは通りすがりのドロレスに心を奪われる。そんな中、謎の黒服の男は “迷路”の入り口を探していた…。

異常行動を起こしたホストの調査を続けたエルシーは、１体のアンドロイドが“アーノルド”という見えない何者かと会話していることに気付く。これを知ったバーナードは、フォード博士にアーノルドについて尋ねる。フォード博士はそれが、ホストに自我を持たせようとして失敗し、ウエストワールドの中で死んだ昔の仲間の名前であることを告げる。

ドロレスは自分のいる世界がどこかおかしいと気付き始めていた。バーナードは彼女に「迷路の中心が見つかれば自由になれる」と教える。目が覚めるとウィリアムたちと一緒にいたドロレスは、彼らの賞金稼ぎの旅に同行することになる。一方、“この世界の結末”を知りたいという黒服の男は、その鍵となる刺青を入れた女、アーミスティスを見つけ、ある提案を持ち掛ける。

ウィリアム、ローガン、ドロレスは捕らえたお尋ね者を人質に、彼のボスであるエル・ラゾがいるというパライアへ向かう。そこで“コンフェデラードス”と呼ばれる傭兵たちを見たローガンは、最大の“ゲーム”である“戦争”を体験するチャンスだと期待する。一方、パライアへ向かう黒服の男は、瀕死のテディを助け、探し求めている非情な悪党のボス、ワイアットのもとへ案内させようとする。

死んでも生き返っている自分に気付いたメイヴは、自分は人間に造られ、全てをコントロールされている存在であると修理担当のルッツから知らされる。メイヴは修理担当のシルベスターを脅し、自分の特性に変更を加えるよう指示し、総合的な知性を意味する“統覚”を最大限まで上げさせる。一方、迷走したホストがデータの持ち出しに利用されていたことが分かり、バーナードはテレサに報告しようとするが…。

パライアから逃げたドロレスとウィリアムは、ローレンスと共に列車で移動する。２人は強く惹かれ合う。ウィリアムは婚約者の存在を明かし、一度はドロレスを拒むが…。一方、またしても修理にまわされてきたメイヴは、ルッツを脅してクレメンタインを捜し始める。また、デロス社から派遣された重役のシャーロットは、テレサを引き込み、フォード博士を退任に追い込もうと画策するが…。

テレサを殺したことに激しく動揺するバーナードに、フォード博士は殺害の痕跡を全て消すように指示する。テレサの死は、パークのデータを持ち出そうとした彼女の不注意による事故死として処理される。また、メイヴはルッツとシルベスターを操り、パークからの脱出を画策。一方、テディと共にワイアットを捜し続ける黒服の男は、自らの過去をテディに語り始める…。

メイヴを診断したバーナードは、彼女から衝撃的な事実を告げられる。動揺したバーナードは、全てを知っているはずのフォード博士を呼び出すが…。ウィリアムとドロレスは、軍隊に加わったローガンに捕まる。ドロレスを外の世界に連れ出したいと言うウィリアムの目を覚まさせようと、ローガンは暴挙に出る。一方、黒服の男と行動を共にするテディに、ワイアットに関する記憶が蘇り…。

ドロレスと再会した黒服の男は、“迷路の中心”を教えるよう彼女を脅迫する。真の愛で結ばれたウィリアムが助けに来ると言うドロレスに、黒服の男はある事実を告げる。一方メイヴは、仲間に引き入れたアンドロイドたちと共にパークからの脱出作戦を決行する。そんな中、シャーロットから引退のスピーチをするように勧告されたフォード博士は、パーティーで最後のシナリオを発表する…。