Ambientado após os eventos de Arise, o filme envolve o assassinato do Primeiro-Ministro do Japão que é publicamente descrito como o "maior evento desde a guerra". Cabe a Secção de Segurança Pública 9, liderada pelo Major Motoko Kusanagi, descobrir a verdadeira natureza do assassinato. Eles são auxiliados pelo filho do Primeiro-Ministro, Osamu Fujimoto.
No ano 2116, o governo japonês começa a exportar o “Sistema Sybil” e seus drones não tripulados para vários países em crise em todo o mundo. Um país no meio de uma guerra civil, SEAUn (União dos Países do Leste Asiático) utiliza o Sybil como um experimento. Com o novo sistema, a cidade costeira de Shambala Float alcança paz e a segurança temporária. Mas quando terroristas de SEAUn são enviados para o Japão e atacam o sistema central de Sybil por dentro, um policial de Shambala Float, Tsunemori, viaja para investigar o incidente. No Japão ele procura entender a verdadeira justiça neste novo território.
Rune Ballot é uma adolescente prostituta em Mardock City. Um dia, ela é pega por um gerente de cassino ambicioso chamado Shell, que lhe dá tudo o que ela pode querer. Renovada por uma falsa inocência, um falso passado e agora a falsa vida que Shell lhe deu, Ballot sente-se agradecido. No entanto, ela não pode deixar de estar curiosa sobre por que ele fez tanto por ela, então ela faz uma pesquisa sobre seu passado em um computador. Isso acaba sendo um erro que mudará muito sua vida. Quando Shell descobre o que ela fez, ele tenta queimá-la até a morte por explodir seu carro.
Makoto Konno é uma estudante comum, sempre com pressa e lutando contra o relógio para não perder a hora da escola. Tem a vida em ordem, é uma garota de sorte e com boa intuição. Ao lado dos amigos Chiaki Mamiya e Kousuke Tsuda, Makoto forma um trio muito unido que se encontra naquela difícil fase de decidir o que fazer da vida no futuro. Certo dia, a sorte e intuição de Makoto parecem abandoná-la, e ela descobre ter, por alguma razão, o poder de viajar no tempo. Assustada no início, Makoto começa a assimilar melhor a idéia do incrível poder que tem em mãos. Super segura de si, Makoto passa a usar e abusar deste poder mas, logicamente, percebe que mudar o passado pode trazer péssimas consequências
