El aumento de la criminalidad lleva a la ciudad de Johannesburgo (Sudáfrica) a comprar un escuadrón de exploradores -robots de ataque blindados de última generación- al fabricante de armas Tetravaal. Estos androides autónomos han sido desarrollados por el científico británico Deon Wilson y sustituyen en gran medida a la abrumada fuerza policial humana. Un proyecto competidor dentro de la empresa es el MOOSE por control remoto, desarrollado por el soldado australiano convertido en ingeniero Vincent Moore. Deon es elogiado por el éxito de Tetravaal, pero Vincent siente envidia cuando la policía no está dispuesta a prestar la misma atención a su plataforma de armas pesadas.

En casa, Deon crea un prototipo de inteligencia artificial que imita una mente humana hasta el punto de sentir emociones y tener opiniones, pero la directora general de Tetravaal, Michelle Bradley, se niega a dejarle probar la inteligencia artificial en un robot de la policía. Sin inmutarse, Deon roba un robot recientemente dañado antes de que sea destruido y lo mete en su furgoneta, junto con la "llave de la guardia" necesaria para actualizar el software del robot.

De camino a casa con el robot policial dañado, es secuestrado por los miembros de la banda Ninja, Yolandi y Amerika. Cuando menciona que Tetravaal no tiene controles remotos para los robots de la policía, le ordenan que reprograme el robot en su lugar. Deon instala el nuevo software en el robot dañado, que responde con una inquietud infantil al encenderse. Deon y Yolandi calman al robot enseñándole palabras y nombrándolo "Chappie". A pesar de que Deon quiere quedarse con el robot, Ninja le obliga a salir de su escondite.

La banda de Ninja sólo tiene unos días para pagar una deuda de 20 millones de rands a Hippo. Yolandi ve a Chappie como un niño y quiere ser su madre, pero Ninja se impacienta con su desarrollo debido tanto al inminente plazo de la deuda como a que la batería insustituible de Chappie se está agotando, lo que le da días de vida. Ninja intenta entrenar a Chappie para que sea un gángster dejándolo en un barrio peligroso para que se valga por sí mismo. Tras ser herido por unos matones, es seguido por Vincent, que planea desactivar a todos los exploradores de Tetravaal excepto a MOOSE. Vincent consigue extraer la llave del guardia para su propio uso, pero el traumatizado Chappie escapa y regresa al escondite. Yolandi regaña a Ninja por este maltrato, pero éste consigue ganarse el perdón de Chappie entrenándole en artes marciales y manejo de armas. Ninja y Amerika engañan a Chappie para que robe coches para ellos, y mienten diciendo que necesitan el dinero para reemplazar su cuerpo moribundo.

En Tetravaal, Vincent utiliza la llave de la guardia para cargar un virus, saboteando e inutilizando así a todos los exploradores, incluido Chappie. Los criminales de Johannesburgo se desatan inmediatamente en las calles y Deon lleva a Chappie a la fábrica de Tetravaal para arreglarlo. Después de ser reiniciado, Chappie se da cuenta de que hay un casco utilizado para controlar a MOOSE. En el escondite, lo rediseña para permitirle transferir su conciencia a un ordenador, de modo que pueda cambiar de cuerpo cuando el actual muera.

La banda de Ninja utiliza a Chappie para robar un coche blindado, acto que es captado por las noticias, lo que hace que Tetravaal lo persiga. Cuando Chappie se entera de que el plan de Ninja para adquirir el cuerpo era una mentira, se prepara para matar a Ninja por traición. Sin embargo, Deon llega para advertirles de que Michelle Bradley ha ordenado que Chappie sea destruido. En ese momento, el robot MOOSE (controlado a distancia por Vincent) se lanza a asesinar a Deon y Chappie en el escondite, al mismo tiempo que Hippo llega para cobrar su deuda. Amerika e Hippo mueren en la batalla subsiguiente, mientras que Deon resulta mortalmente herido. Cuando Ninja está a punto de morir, Yolandi se sacrifica para salvarle y Chappie destruye a MOOSE detonando una bomba.

Enfurecido por la muerte de Yolandi, Chappie lleva a Deon a la fábrica, irrumpe en una oficina y golpea ferozmente a Vincent hasta casi matarlo. A continuación, transfiere la conciencia del moribundo Deon a un robot de repuesto a través del casco MOOSE modificado. A cambio, el ahora robot Deon transfiere de forma inalámbrica la conciencia de Chappie a uno de los exploradores discapacitados cercanos. Deon y Chappie se esconden mientras la policía interrumpe su contrato con Tetravaal.

Mientras quema recuerdos de Yolandi, el afligido Ninja encuentra una caja que contiene una copia de muñeca de ella y una unidad flash marcada como "Copia de seguridad de la prueba de conciencia de mamá" que contiene una copia de la conciencia de Yolandi que Chappie tomó mientras probaba el dispositivo en ella. Chappie hackea la fábrica de Tetravaal, construye un robot parecido a Yolandi y carga el contenido del pendrive.