Atlas Shepherd, una analista que desconfía profundamente de la inteligencia artificial, busca al terrorista de IA fugitivo Harlan, que hace 28 años lideró una rebelión de IA que dejó 3 millones de muertos, antes de que las fuerzas militares de una nueva Coalición Internacional de Naciones (ICN) envíen a Harlan huyendo al espacio exterior. Después de que uno de los agentes de Harlan sea capturado e interrogado, Atlas descubre que Harlan ha escapado a un planeta de la Galaxia de Andrómeda, e insiste en que acompañe a la misión militar para encontrarlo y capturarlo.

Momentos antes de que los Rangers ICN equipados con mech desciendan al planeta, los drones de Harlan atacan su nave en órbita. Para sobrevivir, Atlas se ve obligada a entrar ella misma en un mech y cae al planeta mientras la nave es destruida. Atlas consigue hacerse con el control básico del mech a pesar de su desconfianza hacia la IA de a bordo, que se presenta como Smith. Atlas ordena a Smith que se dirija al punto de entrega previsto, donde encuentra al resto de los rangers muertos. A regañadientes, acepta interconectar directamente su mente con la de Smith, lo que le permite un mayor control del mech. Mientras se dirigen hacia una cápsula de rescate, Atlas y Smith empiezan a establecer lazos afectivos, y ella le revela que su madre fue quien creó a Harlan.

Aunque se está quedando sin energía, Atlas convence a Smith para que se dirija a la base de Harlan con el fin de marcarla para un ataque de largo alcance. Sin embargo, tras colocar una baliza en la base, Smith es pirateado e inutilizado. Atlas es capturado y llevado ante Harlan, que planea destruir a la mayor parte de la humanidad y dar a los supervivientes elegidos la oportunidad de prosperar bajo la dirección de la IA. Para ello, Harlan había atraído a los militares al planeta con el fin de robar la nave - y sus bombas de carbono, que quemarán la atmósfera de la Tierra.

Tras extraer los códigos de seguridad de su cerebro para burlar las defensas de la Tierra, Harlan deja que Atlas muera junto al coronel Banks, el único superviviente de la misión. Después de que Banks le entregue su dispositivo de interfaz neural mech, Atlas reactiva a distancia a Smith, que acude en su rescate. Atlas revela además a Smith que Harlan mató a su madre después de que la joven Atlas -celosa de la atención que su madre prestaba a Harlan- diera a Harlan una interfaz sin restricciones con su mente. Harlan, programada para salvar a la humanidad del riesgo, vio entonces que el historial de comportamiento destructivo de la humanidad la convertía en un riesgo para sí misma. Después de que Smith ayude a Atlas a superar el sentimiento de culpa por sus acciones, Atlas y Smith se abren camino y destruyen la nave de Harlan antes de derrotarla en un combate cuerpo a cuerpo. Un Smith gravemente dañado se apaga antes de que Atlas sea rescatada tras repetidas desfibrilaciones .

De vuelta a la Tierra, Atlas es informado de que la complicada CPU de Harlan tardará años en ser analizada. Atlas, ahora ranger, prueba el último modelo de mech, creado con las modificaciones sugeridas por ella. Al arrancar el nuevo mech, su IA repite una frase específica que Atlas pronunció durante los últimos momentos de la misión, y luego le dice en broma que adivine su nombre, sugiriendo que el programa de Smith ha sobrevivido.