En un futuro próximo, los humanos son aumentados con mejoras cibernéticas como la visión, la fuerza y la inteligencia. El desarrollador de aumentos Hanka Robotics establece un proyecto secreto para desarrollar un cuerpo artificial, o "caparazón", que pueda integrar un cerebro humano en lugar de una IA. Mira Killian, la única superviviente de un ataque ciberterrorista que mató a sus padres, es elegida como sujeto de pruebas después de que su cuerpo quede dañado sin posibilidad de reparación. A pesar de las objeciones de su diseñador, el Dr. Ouelet, el director general de Hanka Robotics, Cutter, decide utilizar a Killian como agente antiterrorista.

Un año más tarde, Killian ha alcanzado el rango de Mayor en la Oficina Antiterrorista de la Sección 9, trabajando junto a los operativos Batou y Togusa bajo el mando del Jefe Daisuke Aramaki. Killian, que experimenta alucinaciones que Ouelet descarta como fallos, está preocupado por lo poco que recuerda de su pasado. El equipo frustra un ataque terrorista en una conferencia de negocios de Hanka, y Killian destruye una geisha robótica después de que ésta asesine a un rehén. Después de enterarse de que la geisha fue hackeada por una entidad desconocida conocida como Kuze, Killian rompe el protocolo y se "sumerge" en su IA en busca de respuestas. La entidad intenta un contraataque, y Batou se ve obligado a desconectarla. Rastrean al hacker hasta un club nocturno yakuza, donde son atraídos a una trampa. La explosión destruye los ojos de Batou y daña el cuerpo de Killian. Cutter se enfurece por las acciones de Killian y amenaza con cerrar la Sección 9 a menos que Aramaki la mantenga a raya.

Kuze localiza a la doctora Dahlin, consultora de la Sección 9, y la mata. El equipo relaciona su asesinato con las muertes de otros investigadores de alto nivel de la compañía y se da cuenta de que Ouelet es el siguiente objetivo. Kuze toma el control de dos trabajadores sanitarios y los envía a matar a Ouelet. Ahora con ojos cibernéticos, Batou mata a uno mientras el reparado Killian somete al otro. Mientras interrogan al trabajador, Kuze habla a través de él antes de obligarle a suicidarse. Togusa rastrea el hackeo hasta un lugar secreto, donde el equipo descubre un gran número de humanos vinculados mentalmente como una red de señales improvisada. Killian es capturado y Kuze revela que es un sujeto de prueba Hanka fallido del mismo proyecto que creó a Killian. Le insta a cuestionar sus propios recuerdos y a dejar de tomar su medicación, ya que en realidad ayuda a bloquear sus recuerdos. Kuze la libera y escapa.

Killian se enfrenta a Ouelet, que admite que 98 sujetos de prueba murieron antes que Killian, y que sus recuerdos están implantados. Cutter ha decidido que Killian es un estorbo y ordena a Ouelet que la mate cuando vuelva a Hanka Robotics. En cambio, Ouelet le da una dirección a Killian y la ayuda a escapar. Cutter mata a Ouelet, pero culpa a Killian, diciendo que se ha vuelto rebelde. Informa a Aramaki y al equipo de que hay que acabar con Killian.

Killian sigue la dirección hasta un apartamento ocupado por una madre viuda, que revela que su hija, Motoko Kusanagi, se escapó de casa hace un año y fue arrestada; mientras estaba detenida, Motoko se quitó la vida. Killian se marcha y se pone en contacto con Aramaki, que permite a Cutter escuchar a distancia su conversación. Batou, Togusa y Aramaki eliminan a los hombres de Cutter que intentan tenderles una emboscada, mientras Killian sigue sus recuerdos hasta el escondite donde Motoko fue vista por última vez. Allí, ella y Kuze se encuentran y recuerdan sus vidas pasadas como radicales anti-aumentación que fueron secuestrados por Hanka como sujetos de prueba.

Cutter despliega un "tanque-araña" para matarlos. Kuze casi muere antes de que Killian sea capaz de arrancar el Centro de Control de Motores del tanque, perdiendo un brazo en el proceso. Mortalmente herido, Kuze le pide a Killian que "venga conmigo, aquí no hay lugar para nosotros". Killian se niega, diciendo "no, no estoy listo para irme, pertenezco aquí". Kuze dice que siempre estará con ella en su fantasma y luego se desvanece, entonces un francotirador del Hanka lo mata. Batou y el equipo rescatan a Killian, mientras Aramaki ejecuta a Cutter con el consentimiento de Killian. Al día siguiente, ya reparada y abrazando su verdadera identidad como la Motoko japonesa, Killian se reencuentra con su madre y vuelve a trabajar con la Sección 9.