2415年、汚染された外界と壁で隔てられた都市ブレーニャ。かつてワクチンで人類滅亡の危機を救った科学者であり救世主の子孫、トレヴァー8世(マートン・ソーカス)のもと、その弟オーレン(ジョニー・リー・ミラー)と科学者たちで成り立つ政府は、秩序の維持を理由に圧制を強いていた。反政府組織モニカンの女戦士イーオン・フラックス(シャーリーズ・セロン)は、結婚したばかりの妹ユーナ(アメリア・ワーナー)がモニカンの分子と誤って抹殺されたことから、政府に対する復讐を誓うようになった。そこへモニカンの司令塔ハンドラー(フランシス・マクドーマンド)から、君主トレヴァーの暗殺指令を下される。イーオンは改造人間シサンドラ(ソフィー・オコネドー)を援護につけ、トレヴァーを狙う。だがトレヴァーと接触した途端、イーオンの脳裏に覚えのない彼と過ごした記憶が浮かぶ……。