В 5012 году Земля подверглась нападению инопланетных сил, известных как Машины, которые использовали роботизированные формы жизни для уничтожения человечества. Остатки цивилизации укрылись на Луне, где была создана боевая единица андроидов YoRHa для борьбы с захватчиками. Андроид 2B, член подразделения, известна своими боевыми навыками и непреклонным характером. Её напарником становится андроид 9S, специализирующийся на разведке и хакерских атаках. Их задачей является высадка на поверхность Земли для противостояния силам Машин.

В ходе миссии 2B и 9S обнаруживают, что Машины развили собственную осознанность и эмоции, а их отношение к людям неоднозначно. Герои также находят уцелевших людей, скрывающихся в руинах разрушенного мира. Постепенно становится ясно, что за конфликтом стоит более могущественная сила, манипулирующая событиями. Расследование этих обстоятельств приводит андроидов к раскрытию тайн, связанных с их собственной природой и истинными целями войны, что предвещает финальное противостояние, способное изменить ход истории.