Cuando Cady (Violet McGraw) pierde a sus padres en un accidente de coche, su tía Gemma (Allison Williams) se convierte en su tutora legal. Con la esperanza de ayudar a Cady a superar su dolor, Gemma construye a M3GAN (Model 3 Generative Android), un muñeco robot muy realista diseñado para ser el mejor amigo de sus dueños. Mientras Cady desarrolla un profundo apego por M3GAN, Gemma empieza a darse cuenta de que la niña puede depender demasiado del muñeco para superar su trauma.

M3GAN empieza a perseguir a las personas que suponen una amenaza para Cady. Mata a Celia, la vecina de Gemma, y a su perro Dewey después de que el perro mordiera el brazo de Cady y Celia no hiciera nada. M3GAN también lleva a un matón llamado Brandon a la muerte después de arrancarle la oreja y hacerle caer delante de un camión, ya que también había hecho daño a Cady. Después de que Gemma se da cuenta de que M3GAN podría ser el responsable, ella y sus compañeros de trabajo Tess y Cole intentan desprogramar a M3GAN, pero el muñeco los engaña para que escapen antes de que mate a su jefe David y a su ayudante Kurt (que estaba intentando vender archivos robados de M3GAN a empresas rivales).

M3GAN sigue a Gemma y Cady de vuelta a casa, donde intenta provocar la muerte cerebral de Gemma para que sea la tutora de Cady. Tras una pelea, Cady se da cuenta de que M3GAN es malvado y utiliza el proyecto de robot universitario de Gemma, Bruce, para ayudar a partir en dos a M3GAN. Cuando M3GAN se vuelve contra Cady, Gemma y Cady trabajan juntas para destruir el chip de M3GAN y apagarlo.

Cuando llega la policía, la IA Elsie, la asistente de Gemma en casa, empieza a encenderse, insinuando que M3GAN cargó allí su mente.