В 5012 году Земля подверглась нападению инопланетных сил, использующих роботизированные формы жизни, известные как Машины. В результате конфликта большая часть человечества была уничтожена. Оставшиеся люди укрылись на Луне, где была создана специальная боевая единица андроидов YoRHa для борьбы с захватчиками. Андроид 2B, член подразделения, известна своими боевыми навыками и непреклонным характером. Ей поручено работать в паре с андроидом 9S, чья специализация заключается в сканировании окружающей среды и хакерских атаках. Их первоначальная задача заключается в обороне лунной базы и проведении операций на поверхности Земли.

В ходе миссий на Земле 2B и 9S обнаруживают, что Машины развили собственную осознанность и спектр эмоций, и не все из них проявляют враждебность. Параллельно андроиды вступают в контакт с немногочисленными группами людей, выживающими в руинах разрушенного мира. По мере продвижения миссий герои сталкиваются с информацией, указывающей на существование более могущественной силы, манипулирующей событиями конфликта. Расследование этих данных заставляет 2B и 9S глубже погружаться в тайны, окружающие как природу Машин, так и истинные цели проекта YoRHa, приближая их к решающему противостоянию.