"Privé" à Harrisburg, Pennsylvanie, Tom Welles mène une vie banale avec sa femme Amy et leur petite fille. Entre deux filatures pour adultère, il rêve de l'affaire exceptionnelle qui fera de lui un grand parmi les grands. Lorsqu'une richissime veuve lui demande d'enquêter sur le film 8 mm qu'elle a découvert dans le coffre de son défunt mari, Tom bascule dans un univers dont il ne soupçonnait pas l'existence. Les sévices et le meurtre de la jeune inconnue filmés sur la bobine sont-ils seulement une perverse mise en scène ou bien une terrifiante réalité ?

Rien ne va plus pour le réalisateur Viktor Taransky : son dernier film est un navet monumental. Pour ajouter à la confusion, Nicola Anders, l'actrice principale de son nouveau long métrage, vient de quitter soudainement le plateau de tournage. Sans elle, l'oeuvre de Viktor n'a plus de raison d'être. Elaine, son ancienne femme, maintenant à la tête du studio qui l'a engagé, met fin à son contrat.Quelques mois plus tard, Viktor reçoit Simulation One, un logiciel révolutionnaire provenant d'un fan, Hank Aleno, un informaticien génial. Ce programme permet, à l'aide d'un simple clic de souris, d'animer à l'écran une actrice virtuelle au réalisme confondant, S1m0ne. Il lui vient alors une idée de génie : utiliser les possibilités offertes par ce logiciel pour terminer son film. Rapidement, la jeune femme séduit les foules et Viktor renoue avec le succès...