尼奥（基努·里维斯 Keanu Reeves 饰）和崔妮蒂（凯瑞-安·莫斯 Carrie-Anne Moss 饰）重回矩阵：在这里，一个是矩阵创造出来，周而复始的日常世界，另一个则是隐藏其后，真实的人类世界。为了弄清楚自己所处的“现实”究竟是真是假，尼奥不得不再次做出选择……
在毫无征兆的一个晴朗日子，一枚导弹笔直飞来，将国际大都会东京都内极具代表性的彩虹桥炸为两截。该事件在都内引起不小的骚动，此后不久，警视厅公安部外事三课的警部高畑慧（高岛礼子 饰）带着相关视频资料找到藤田继次（筧利夫 饰）所统率的特车二课，经分析发现这次袭击来自于那架自卫队不久前失窃的新型战斗直升机AH-88J2改“灰色幽灵（Grey Ghost）”。经高畑之口得知，该恐怖事件与拓植行人、灰原零（森カンナ 饰）有直接的关系。而在纷乱的实践中，特车二课则面临着被撤消的危险。 东京一千万人口沦为暴动分子的人质，面对前所未有的危机，泉野明（真野惠里菜 饰）和她的LABOR能否力挽狂澜？
效力于某知名搜索引擎公司的程序员加利·史密斯（多姆纳尔·格利森 Domhnall Gleeson 饰）幸运地抽中老板纳森（奥斯卡?伊萨克 Oscar Isaac 饰）所开出的大奖，他将受邀前往位于深山的别墅中和老板共度假期。在与世隔绝的别墅中，纳森亲切地接待了这位员工。 事实上他邀请加利到来还有另一个目的，那就是协助他完成其所开发的智能机器人的测试。天才一般的纳森研制了具有独立思考能力的智能机器人伊娃（艾丽西亚·维坎德 Alicia Vikander 饰），为了确认她是否具有独立思考的能力，他希望加利能为伊娃进行著名的“图灵测试”。似乎从第一眼开始，加利便为这台有着宛如人类般姣好容颜的机器人所吸引。 在随后的交流中，他所面对的似乎不是冷冰冰的机器，而更像是一个被无辜囚禁起来的可怜少女……
