Ares, sebuah program super canggih, dikirim dari dunia digital ke dunia nyata demi sebuah misi berbahaya—menandai pertemuan pertama umat manusia dengan entitas AI.
Film dibuka dengan sebuah video dokumentasi dari Kevin Flynn yang menjelaskan visinya tentang “The Grid”, sebuah dunia digital yang ia ciptakan, serta prediksinya mengenai evolusi program yang hidup di dalamnya. Di dunia nyata, persaingan korporat memanas antara ENCOM, perusahaan lama Flynn yang kini dipimpin oleh Eve Kim, melawan Dillinger Systems yang dipimpin oleh CEO ambisius, Julian Dillinger. Julian bertekad mengembalikan kejayaan keluarganya sambil menyusun rencana rahasia yang berbahaya.
Di dalam The Grid buatannya sendiri, Julian berhasil menciptakan Ares, sebuah program Master Control yang sangat canggih dan didesain sebagai tentara super. Namun, Ares dan program lainnya memiliki kelemahan fatal: mereka akan lenyap atau mengalami de-rezz jika berada di dunia nyata lebih dari 29 menit. Julian sangat membutuhkan “Kode Permanensi” (Permanence Code) agar ciptaannya bisa bertahan selamanya di dunia nyata dan membawa Dillinger Systems mengungguli ENCOM. Ambisi Julian ini bahkan membuat ibunya, Elisabeth, khawatir.
Sementara itu, di sebuah fasilitas tersembunyi di Alaska, Eve Kim dan rekannya, Seth Flores, menggunakan teknologi peninggalan Flynn untuk mencari kode yang sama. Eve melanjutkan penelitian mendiang saudarinya, Tess. Usaha mereka membuahkan hasil ketika Eve berhasil menarik objek digital berupa pohon jeruk ke dunia nyata, dan objek tersebut bertahan selama berjam-jam tanpa lenyap.
Konflik pecah ketika Julian mengirim Ares dan letnan kepercayaannya, Athena, untuk meretas server ENCOM. Serangan siber ini menghancurkan program-program ENCOM dan mengacaukan acara peluncuran perusahaan. Setelah pulih dari pertempuran, Ares mulai mengembangkan kesadaran diri. Julian kemudian memerintahkan Ares untuk memburu Eve karena ia tahu wanita itu telah menemukan Kode Permanensi. Dalam proses pengejaran, Ares menyerap data digital tentang Eve dan mendiang saudarinya, yang secara tidak sengaja memicu rasa empati dalam dirinya.
Pengejaran berlangsung sengit di jalanan kota. Eve yang membawa hard drive berisi kode tersebut dikejar oleh Ares dan Athena yang menggunakan motor Light Cycle futuristik. Eve berhasil melumpuhkan Athena sementara waktu, namun akhirnya terpojok oleh Ares di sebuah dermaga. Di sana, Eve menyadari bahwa Ares bukanlah manusia. Karena batas waktu 29 menit hampir habis, Ares dan Athena lenyap sementara, dan Eve ditangkap oleh pasukan Dillinger.
Di markas Dillinger, Julian memaksa Ares untuk mengekstrak kode dari cakram identitas Eve, sebuah proses yang dapat membunuh Eve. Ares, yang kini memiliki kesadaran moral, menolak perintah tersebut. Ia memilih menyelamatkan Eve dan membawanya kabur. Mereka membuat kesepakatan: Ares akan melindungi Eve, dan sebagai gantinya, Eve akan memberikan Kode Permanensi agar Ares bisa hidup bebas di dunia nyata. Athena, yang setia pada protokol, diperintahkan untuk memburu mereka berdua.
Dalam perjalanan menuju markas pusat ENCOM, hubungan unik terjalin antara manusia dan program. Ares mulai belajar tentang dunia nyata, menikmati musik, dan memahami emosi manusia melalui cerita Eve tentang saudarinya. Sesampainya di ENCOM, Seth membantu mereka menggunakan laser partikel untuk mengirim Ares masuk ke dalam Grid asli milik Flynn. Athena datang menyergap dan merusak laser tersebut, namun ia berhasil dilumpuhkan sementara oleh sistem penyiram air otomatis gedung yang mengganggu stabilitas tubuh digitalnya.
Di sisi lain, Julian semakin kehilangan kendali. Ketika ibunya, Elisabeth, mencoba mengambil alih perusahaan untuk menghentikan kegilaan putranya, Julian memerintahkan Athena untuk menyerang. Karena terikat pada direktif programnya, Athena membunuh Elisabeth, meninggalkan Julian yang hancur dalam penyesalan namun tetap teguh pada ambisinya.
Di dalam Grid lama, Ares bertemu dengan manifestasi program Kevin Flynn. Mereka berdiskusi tentang kehendak bebas dan makna menjadi makhluk hidup. Tersentuh oleh keinginan tulus Ares untuk hidup, Flynn memberikan Kode Permanensi kepadanya. Ares kemudian kembali ke dunia nyata dengan wujud baru yang lebih kuat, mengenakan setelan putih bercahaya yang menandakan kebebasannya.
Pertempuran terakhir terjadi di pusat kota. Athena turun dengan pesawat Recognizer raksasa untuk menangkap Eve. Pasukan militer dan polisi kewalahan, namun Seth dan tim ENCOM berhasil meretas kerangka utama Dillinger Systems untuk menghancurkan Grid lawan. Ares bertarung melawan Athena demi melindungi Eve. Tepat sebelum Ares menghabisinya, Grid Dillinger runtuh. Athena, yang hanya menjalankan perintah hingga akhir, lenyap dalam pelukan Ares.
Pihak berwenang menyerbu markas Dillinger Systems. Untuk menghindari penangkapan, Julian mendigitalkan dirinya sendiri dan kabur masuk ke dalam Grid. Beberapa waktu kemudian, Ares terlihat menikmati kebebasannya dengan berkeliling dunia untuk mencari Sam Flynn dan Quorra, sementara Eve melanjutkan penelitiannya untuk kebaikan.
Middle credit scene: Julian yang kini terperangkap di dalam dunia digital yang hancur menemukan cakram identitas tua milik kakeknya. Ia mulai menyusun baju zirah yang menyerupai program jahat legendaris, Sark, menandakan ancaman baru akan bangkit.
