《水底情深》以美國與蘇聯於二十世紀展開的太空競賽為故事背景，描述兩國在冷戰過後，為了爭奪航太實力第一的頭銜，先後展開各種太空實驗與計畫，在送上活體上太空後，兩國無不苦思一個問題，那就是「上太空的生物能存活多久？」，似乎能在太空待越久的才是贏家。
此時美國團隊遠從原始叢林運載一個神秘生物來到巴爾的摩的實驗室，盼能研究此似人非人的生物的呼吸系統，好一舉擊敗敵手蘇聯，可蘇聯早已探聽到此情報，派遣了本名為迪米崔的科學家化名為巴比潛入美國團隊當間諜。正當兩國明爭暗鬥時，一位負責實驗室清潔的啞巴女孩伊萊莎，卻悄悄「介入」其中。
伊萊莎生活可說一成不變，每天準時起床後，撕掉牆上的年曆，順手翻到後面看一下每日箴言，接著到廚房煮水煮蛋當早餐，等待時間就到浴室刷牙洗臉、躺在浴缸裡自慰。一切準備就緒後便出門坐上公車到實驗室上班，總是遲到的她都有好友瑟達掩護打卡，此舉常常惹得後面乖乖排隊的女同事不滿，不過她倆毫不在意，推著清潔車到指派地點清機器上面灰塵、刮掉地上口香糖、馬桶裡為沖乾淨的大便以及小便斗上的尿漬，邊笑鬧著邊工作，到了下班時間便打卡離開，日復一日。
某天，伊萊莎與瑟達在廁所碰見押解神祕生物到這裡來的軍官史崔克，前一秒意氣風發的向她們攀談，下一秒她們便看見他血流如注倒在她們面前，後她倆被指派將實驗室裡的滿目瘡痍清理乾淨，伊萊莎還發現兩根斷指繳還給上屬。
在好奇心驅使下，也像是被祂吸引，伊萊莎開始企圖親近這個神祕生物。後來她慢慢發現祂不會傷害她，更喜歡吃她帶去的雞蛋，會對她放的音樂有所反應，跟祂比手語也像是能懂，伊萊莎如小朋友般興奮不已，此後她每天一成不便的生活多了一項，和神祕生物共進午餐。
可當研究計畫毫無進展時，美方決定將神祕生物殺死進行解剖，得知此事的狄米崔連忙向蘇聯報告，蘇聯指示他要搶在美國之前動手殺死祂，只是對於神祕生物的迷戀，令迪米崔不願下手，而就在此時，偷聽到整個對話過程的伊萊莎，為了保護祂決定將祂帶走，猜想到伊萊莎想法的迪米崔出面協助，並打算日後謊騙蘇聯他已將生物殺死埋葬。
當伊萊莎請求嘉爾協助救援行動時，嘉爾相當難以理解伊萊莎的想法，接著提出可能連觀眾都想問的問題，那就是伊萊莎為何要救這個「不是人」的「生物」？就人類觀點來看，人類這種生物無疑是站在金字塔的頂端，我們吃牛、吃雞、吃豬、吃羊、吃各種「能吃」的生物，唯一能和人類平起平坐的只有人類。倘若人類認定自己最為優秀，為何會想要去救人類以外的生物？起初他不明白，可在聽完伊萊莎的想法後，嘉爾稍微懂了。
