キャロラインはある女から奇妙な提案を受けていた。次に姿を見せた時、彼女はエコーと呼ばれ、ドールハウスという施設でクライアントの要望を叶えるために記憶を刷り込まれる"ドール"になっていた。そんな時、一人娘のデビーナを誘拐された富豪ガブリエルがドールハウスに救出の依頼をしてくる。複数の記憶を合成し、腕利きのネゴシエーターとなったエコーは早速ガブリエルの家に向かう。彼は不信感を露にするが彼女が過去に誘拐されたことがあると知り信用するように。しかし身代金受け渡しの現場で犯人の一人を見たエコーの様子が急変。ガブリエルは銃撃戦に巻き込まれて負傷してしまう。犯人の一人が記憶の持ち主を誘拐した張本人だったという予期せぬ出来事に上層部は撤退を検討するが、彼女のハンドラー、ボイドは捜査続行を主張。彼女の記憶を頼りにアジトにたどり着いた2人は無事に娘を救出する。エコーは再び記憶を抜き出され、無垢な人形に戻るのだった。

かつてのドールハウス。ドールの一人、アルファが暴走し、ドールハウスは惨劇に見舞われる。血まみれで倒れているドールたちの中でエコーだけが生き残っていた。そして現在。依頼人コネルの希望で彼の恋人として一緒に森へキャンプに行ったエコー。だが一夜明けたとたんコネルの態度は豹変し、エコーを標的に狩りを始める。その頃、ドールハウスの存在を暴こうと執拗に捜査していたFBI捜査官ポールの元に、何者かからキャロラインの写真が送られてくる。彼の捜査を危惧したドールハウスはドールの一人、ビクターを情報屋リュボーフィとして送り込む。一方、森の外れでエコーの監視をしていたボイドは森林警備隊の男に襲撃され、エコーに異変が起こったことに気付く。コネルに仕込まれた毒のせいで消去されたはずの記憶の断片を見るエコー。混乱の中、彼女は逃げるのを止め反撃を開始。全てが終わった後、この出来事がエコーを狙って巧妙に仕組まれた罠だったと判明する。

人気歌手レイナのライブ会場で事故が多発。マネージャーの依頼でエコーはバックシンガーとして潜り込み、レイナの警護をすることに。無意識にレイナを守るようプログラムされたエコーは、何も知らずにオーディションを受け、見事バックシンガーの職を得ることに成功する。その頃ポールは、リュボーフィを使って人身売買をしているロシアン・マフィアを追っていた。一方、レイナと親しくなったエコーは次第に彼女の情緒が不安定なのに気付いていく。ライブ会場にはレイナの大ファンという記憶を刷り込まれたドールの一人、シエラも送り込まれ、2人体制で警護をする中、楽屋でストーカー男の手紙を見つけたエコーはレイナに警告するが彼女は取り合わない。犯行は直前で食い止めたが、ストーカー男はシエラを誘拐してビデオメッセージを送りつけてくる。そこで事件の全てはレイナが望んだことだったと判明、エコーはレイナを使って男をおびき出そうとする。

エコーはとあるホテルのバーで男たちと乱痴気騒ぎをしていた。やがて彼らに乱暴されたと警備の男に訴えたエコー。だがそれは全て警備室に潜り込むための策略だった。男たちを呼び寄せ、壁を爆破し隣のビルに潜り込むエコーたち。そこには高額の美術品が保管されていた。彼らはプロの窃盗団として集められたのだった。周到な計画で順調に目的のものを見つけ出したエコーだが、仲間の一人が裏切り建物に閉じ込められてしまう。ボイドに助けを求めたエコーだが、会話の途中で携帯から奇妙な電子音が響き、彼女は記憶を消去されてしまう。彼女をモニタリングしていた主任技師のトファーから異常事態の報告を受けたドールハウスの責任者デウィットは、エコー救出にシエラを投入するが失敗。トファーから連絡をもらったボイドが自ら救出に向かい危機を脱する。この事件の黒幕がアルファだと確信したデウィットは、至急策を講じるようトファーに命じるのだった。

カルト教団のコロニーがあるアリゾナの田舎町で信者の一人が残した救出を求めるメッセージが見つかり、ドールハウスは上院議員の依頼で捜査に協力することになる。トファーはエコーが見たものをそのままモニターできる新技術を使い、代わりに目が見えなくなったエコーは、盲目の信者として教団に向かう。エコーのおかげで確実に情報を集めたリリー捜査官は、彼女の危険を無視して強行突入を計画。ボイドは上層部に強制撤退を求めるが警備主任のドミニクはそれを拒否する。ドミニクはエコーのことを危険因子と考えていた。強制突入に気付いた教祖ジョナスに詰寄られ殴られたエコーはその衝撃で視覚を取り戻すが、暴走したジョナスが信者の一人に命じて施設に火を放ち集団自殺を実行、エコーは一人施設に潜り込んでいたドミニクに見殺しにされそうになる。その頃ポールはニュース映像の中にキャロラインの姿を見つけ現場に急行するが、彼女はすでに姿を消していた。

ドールハウスでは少しずつドールたちに異変が起きていた。ビクターはシエラに恋をするが、シエラは彼に触れられた途端悲鳴を上げる。彼女を検査した医師のサンダーズは、レイプの痕跡を見つける。シエラのハンドラー、ハーンはありえないと一蹴するが、施設を調べたボイドは監視カメラの死角を発見。そこはハーンのオフィスだった。一方、ポールはIT長者のジョエルにドールハウスの手がかりがあると考え、ジョエルの家に侵入。そこでついにキャロライン(=エコー)と対面するが、完全に別人になりきっている彼女の姿を見て驚愕する。むなしく家に戻った彼は、隣人のメリーに事件の概要を打ち明ける。密かに彼を監視していたデウィットは組織を裏切ったハーンにメリーを殺害するよう命じる。同時に彼の元にエコーを送り込むが、その記憶はハッキングされ、別の人格が刷り込まれていた。彼女の警告を聞いたポールが見つけたのは、ハーンの遺体と泣きじゃくるメリーだった。

ロッサム社の研究施設で開発途中の新薬が盗まれ、社の幹部から捜索を依頼されたドールハウスは大量のアクティブを投入。現場では新薬が漏出し、隣の大学では大勢の人間がドラッグでハイな状態になっていた。エコーは別件の任務に着いていたが、事件のニュースを見て突然古い記憶が刺激され、任務を放り出し、大学へ駆けつける。ドールハウスでは組織のスリーパーだったノベンバー(=メリー)を使い、新薬の解毒剤を作り出そうとしていた。古い記憶に突き動かされたエコーはボイドの制止も振り切り、知り合った学生サムと共にビルに侵入しようとする。現場では感染が拡大し、捜査に乗り込んだビクターやシエラは消された記憶が甦り、ドミニクたちの様子もおかしくなっていた。やがてドールハウスでも同じような症状が現れ、トファーやデウィットまでもがハイになる。サムの裏切りで薬に感染したエコーは記憶障害を起こすが、その結果真犯人を捕まえる。

ドールたちの異常行動を問題視しはじめたドールハウス。そんなある日、エコー、ビクター、シエラ、ノベンバーは目覚めると昔の自分を取り戻していた。断片的な記憶しかなく、ドールの間のことも全く覚えていない彼らは、自分たちがどこにいるのかも分からない。ひとまず他のドールたちの真似をして様子を伺うことにした彼らは、そこで驚くべき状況を目にする。正体がバレた仲間の一人が他のドールたちと同じように矯正されたことを知ったエコーたちは逃亡することを決意。だがそれは全てデウィットが仕組んだものだった。長年記憶を抑圧した結果がドールたちの異常行動に結びついていると言うサンダーズの助言で、彼らの欲求を満たすことで問題解決を図ろうとしたのだ。そうとも知らず、ドールハウスの外に出た彼ら。だがこの施設で何が行われているのか気付いたエコーは一人施設に戻っていく。エコーはトファーを脅して全員を解放しようとするのだが……。

デウィットが出張の間にドールハウスにスパイ疑惑が巻き起こり、ドミニクはシエラを投入して問題を解決しようとする。そんな彼らの様子を見ていたエコーは、自らトファーに協力を申し出る。ドールらしからぬ言動に困惑しながらも彼女を使ってスパイ探しをすることにしたトファー。スパイハンターの記憶を刷り込まれたエコーは、関係者全員を尋問しようとする。その頃、メリーとなったノベンバーはポールの元に戻っていた。何者かの記憶操作で自らの素性を明かす彼女に驚愕するポール。一方、ビクターは中年女性の恋人役として任務についていたが、その相手はなんとデウィットだった。孤独を埋めるために極秘でドールを利用していたデウィットだったが、そのつかの間の恋を終わらせることを決意する。現場ではエコーの活躍でスパイを突き止める。全てはドミニクが仕組んだことだった。彼の裏切りを知ったデウィットはドミニクを"屋根裏"に送ることを決定する。

デウィットの友人で富豪のマーガレットが落馬事故で急死した。彼女は生前デウィットに記憶を預け、自分が死んだらドールに埋め込むように依頼していた。デウィットはエコーに記憶を刷り込み、そこでマーガレットが自分の死の真相を突き止めようとしていたことを知る。彼女の友人として葬儀に参加したエコーは、彼女の2人の子供ニコラスとジョスリン、疎遠だった弟のウィリアム、そして年下の夫ジャックと出会う。醜い家族関係が浮かびあがる中、エコーはジャックの犯行を疑うが、動機は他の家族にもあった。やがて自身もドールハウスの顧客だったニコラスに正体がバレてしまう。彼との絆を取り戻したのも束の間、彼女の愛馬から薬が見つかり、落馬事故は仕組まれたものだと判明。その真犯人を探そうとした矢先、エコーはニコラスに襲われる。その頃、ドールハウスでは年に1度の特別な点検と称してトファーがオリジナルのプログラムをシエラに刷り込んでいた。.

エコーはある児童施設で心に深い傷を抱えた少女と出会う。少女の心を癒すため、エコーに同じ経験を持った人物の記憶を刷り込みトファーが送り込んだのだ。その頃ドールハウスではドミニク宛のチップが見つかり、"屋根裏"に送られたドミニクの記憶をビクターに刷り込み、ファイルを開けようとする。一方、ポールは何も知らない振りをしてメリーと付き合い続けることができず、彼女に別れを告げる。だが全てはドールハウスの場所を突き止めるための策略だった。ドールハウスに戻る彼女を尾行し、場所を突き止めたポールは、建物の建設に関わった環境システムの専門家、ケプラーに会いに行く。彼と共にドールハウスに潜入したポールはエコーを助けに行くが、そこでボイドに遭遇。格闘の末、デウィットの元に連れて行かれるが、その騒動の間にケプラーがエコーに何者かの記憶を刷り込み連れ去ってしまう。彼こそがケプラーに成りすましたアルファだった。

エコーを連れ去ったアルファは一人の女性を誘拐していた。彼女を助け出すためポールはある条件と引き換えに組織に協力することにする。時は遡りアルファがドールだった頃。彼は依頼人を誘拐し逃亡したことがあった。彼と一緒に逃亡したのはもう一人のアクティブ、ウイスキー。それは今のサンダーズだった。アルファに襲われドールとして使い物にならなくなった時に、組織がサンダースの記憶を移植したのだ。アルファが豹変するきっかけを与えたのは他でもない、エコーだった。そして現在。技術的トラブルで48の人格が共存しているアルファは、これまでエコーに移植した全ての記憶とキャロラインの記憶を持ち出し、オリジナルは誘拐した女性に、エコーには残りの全人格を移植する。だがアルファの思いに反し、エコーは反撃を開始。38の人格を有したままドールハウスに戻っていく。全てが終わった後、眠りにつくエコーがつぶやいたのは「キャロライン」だった。