O ano é 5012. Uma súbita invasão de aliens e seus Seres Vivos Mecânicos quase exterminam a humanidade por completo. Os poucos sobreviventes se refugiam na Lua, organizando um contra-ataque para retoma...
Tudo o que existe foi feito para se extinguir. Este é o começo da história de dois androides e sua luta para defender a humanidade: 2B e 9S.
A Comandante da YoRHa manda 2B e 9S para ajudar a Resistência da humanidade contra as formas de vida mecânicas, e a líder de um dos grupos parece conhecer a androide da YoRHa.
2B e 9S se familiarizam com os integrantes da Resistência e chegam ao acampamento. Quando Jackass informa sobre as formas de vida mecânicas violentas que estão aparecendo no deserto, as unidades da YoRHa sugerem uma investigação conjunta.
2B e 9S recebem uma nova missão de reconhecimento após mais uma unidade YoRHa interromper suas comunicações. Embora a comandante do Bunker tivesse a intenção de enviar reforços, ela se vê obrigada a enviar apenas os dois androides.
2B e 9S são encarregados de ajudar a Resistência com uma missão de transporte. Embora a missão pareça simples, o destinatário da entrega deixa os androides surpresos.
Enquanto 9S vai consertar seu sistema de detecção de máquinas, Lily conta para 2B a respeito de suas experiências passadas com outra equipe da YoRHa.
2B e 9S aceitam relutantemente um pedido de Pascal: encontrar a irmãzinha perdida de uma das máquinas da vila. Infelizmente, tudo indica que ela está em um lugar perigoso chamado Reino da Floresta.
9S e 2B querem saber mais sobre a A2, a misteriosa androide que abandonou a YoRHa sem deixar de lutar contra as máquinas. Enquanto procuram Jackass, os androides encontram um momento de paz.
9S é sugado para um espaço virtual. Lá dentro, ele aprende mais sobre as formas de vida mecânicas, mas é encurralado. Enquanto isso, 2B e os dois Pods tentam localizar o paradeiro dele.
A morte de Eva faz com que a rede das máquinas comece a se reorganizar, dando origem a um culto religioso. 2B e os Pods são convidados a participar.
As formas de vida mecânicas perdem o controle e lançam ataques massivos em toda parte. A Resistência está em apuros, mas parece que a humanidade não pretende ajudar.
O ataque do laser vindo de um satélite da YoRHa não foi suficiente para deter Adão em sua forma gigantesca. Porém, este talvez esse não seja o maior perigo que aguarda 2B e 9S.
Uma androide da Resistência pede que 2B e 9S tentem encontrar uma amiga desaparecida seguindo o sinal fraco de um Pod.
O comando da YoRHa executa uma operação em larga escala contra as máquinas e parece que, pelo menos dessa vez, a vitória é certa.
As formas de vida mecânicas conseguem hackear os soldados da YoRHa, forçando 2B e 9S a recuarem de volta para o Bunker.
2B e 9S conseguem escapar do Bunker, mas acabam se separando quando reentram na Terra.
O Pod 042 começa a reproduzir as memórias da unidade A2. Nelas, um batalhão de androides recém-desenvolvidas desce para sua primeira missão na superfície da Terra.
A2 desperta depois de um sono profundo, mas está cercada por formas de vida mecânicas da vila de Pascal.
Uma torre misteriosa surge no centro da cidade, e 9S descobre que ela está controlando todas as formas de vida mecânicas.
9S continua investigando as misteriosas torres das máquinas e faz uma descoberta perturbadora. Enquanto isso, A2 precisa ajudar Pascal a defender a vila.
Pascal e A2 levam as crianças sobreviventes do massacre na vila para o acampamento da Resistência. Contudo, o acampamento pode não ser um refúgio para o que os espera.
Mesmo com as senhas, 9S não consegue entrar na torre. Durante uma tentativa de hacking, ele se vê diante de um encontro inesperado.
9S começa a investigar a misteriosa torre no centro da cidade, onde as máquinas aparentemente sabem a verdade por trás do Projeto YoRHa e da relação entre 2B e 9S. Pouco depois de 9S, A2 também chega à torre.
Enquanto A2 e 9S enfrentam-se em seu duelo final, os Pods 042 e 153 conversam sobre o significado da vida e os últimos ritos do Projeto YoRHa.
