Perkenalkan Gemma (Allison Williams), Tony stark versi wanita. Ia bekerja di perusahaan mainan Funki, dan mengembangkan proyek AI yang disebut M3GAN (Model 3 Generative Android), diperankan oleh Amie Donald dan diisi suara oleh Jenna Davis.
Kecelakaan yang dialami saudaranya, membuat Gemma menjadi wali dari keponakannya, Cady (Violet McGraw). Kesibukannya membuat ia tidak punya banyak waktu untuk Cady, jadi ia memberikan M3GAN sebagai teman bermain Cady. Sesuatu hal yang tanpa disadarinya, sangat berbahaya.
Film dimulai dengan iklan boneka berbulu “Purrpetual Petz” dibuat oleh perusahaan mainan, Funki. Walaupun bentuknya tidak imut, boneka ini dipromosikan sebagai teman yang sempurna bagi anak-anak.
Dalam mobil, Cady James bermain dengan salah satu boneka Petz, yang terlihat mengganggu bagi orang tuanya, Ryan dan Nicole. Mereka dalam perjalanan untuk bermain ski di liburan musim dingin.
Salju yang terus turun membuat jalanan licin dan sulit dilihat. Saat mobil berhenti, tak lama sebuah mobil pembersih salju menabrak mobil mereka, yang menyebabkan kedua orang tua Cady meninggal.
Gemma bersama rekan kerjanya, Tess dan Cole, sedang mengerjakan proyek mainan robot baru. Sementara David, boss mereka menginginkan tim itu untuk mengembangkan versi Petz yang lebih murah.
Ketika mereka mendemonstrasikan M3GAN kepada David, sedikit kelalaian Cole membuat robot itu meledak. David menyuruh mereka untuk tetap membuat Petz yang baru sesuai deadline.
Gemma mendapatkan telpon dari rumah sakit. Disana ia melihat Cady yang terbaring, menjadi yatim piatu. Gemma menjadi wali untuk Cady.
Gemma membawa Cady pulang ke rumahnya. Disambut AI buatan, Elsie. Di rumah, ia menyimpan semua koleksi ciptaannya, tetapi ia tidak mengijinkan Cady untuk bermain atau menyentuh mereka. Ketika Cady meminta bibinya itu membacakannya dongeng tidur, Gemma mendownload aplikasi di hp-nya untuk Cady.
Hubungan Gemma dan Cady masih canggung, ketika seorang therapist bernama Lydia mengunjungi mereka. Setelah mengamati interaksi antara mereka berdua, Lydia memberitahu Gemma, bahwa orang tua Ryan ingin mengasuh Cady.
