《人兽杂交》讲述了生物科学家克里夫·尼科利（阿德里安·布洛迪 Adrien Brody 饰）与女友艾尔莎·卡斯特（萨拉·波莉 Sarah Polley 饰）在纽斯特德公司的支持下开展基因重组实验，并取得了初步成果。然而，受到资金问题和公众舆论的影响，纽斯特德高层决定终止对这项研究的支持。克里夫和艾尔莎不甘心就此放弃，便私下继续实验。他们对基因进行优化重组，并融入艾尔莎的一部分基因，最终孕育出一个外貌奇异的雌性生物。
出于科学家的道德与良知，克里夫坚持将这个怪物杀死；艾尔莎却竭力保护她，把她当作自己的孩子，并为其取名卓伦。卓伦以惊人的速度成长，最终成为一名拥有独特美感的女孩（Delphine Chanéac 饰）。随着实验不断发展，克里夫和艾尔莎也逐渐被卷入一段难以挣脱的关系之中。
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