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.
Mereka ingin membawa Cady tinggal di Jacksonville. Gemma merasa keberatan tentang ide tersebut.
Kemudian Gemma berusaha menjalin kedekatan dengan Cady. Cady menunjukkan gambar monster yang ia buat, jadi Gemma membawanya ke ruang kerjanya dan menunjukkan proyeknya semasa kuliah, Bruce, robot yang dikendalikan dengan sarung tangan.
Cady menyukai Bruce dan berkata ia tidak butuh mainan lain jika memiliki Bruce. Itu membuat Gemma terinspirasi untuk menyelesaikan proyek M3GAN.
Setelah melakukan perbaikan dan peningkatan pada M3GAN, Gemma membawa Cady untuk menemui M3GAN. Dia membuat Cady terhubung dengan M3GAN.
Disaksikan oleh boss, David dari balik layar, M3GAN melukis di kertas, saat Cady melihatnya kertas kosong itu dengan bingung, M3GAN menumpahkan air di atasnya, kemudian lukisan Cady tergambar disana.
David kagum dengan kemampuan M3GAN, dan memerintahkan Gemma untuk menjadikan M3GAN sebagai proyek utama. Dia juga akan mempresentasikan M3GAN di depan para direksi.
M3GAN pulang ke rumah bersama Gemma dan Cady. Sebagai robot/boneka pendamping anak, ia sempurna. Dia dapat menemani Cady bermain, menari, membacakan dongeng sebelum tidur, mengasuh Cady, dan membuat Gemma bisa fokus pada pekerjaannya.
Gemma kembali ke lab, disana Tess dan Cole mengupgrade boneka itu. Tess mengingatkan Gemma, jika keberadaan M3GAN membuat Gemma melupakan tugasnya pada Cady, dan ia menghabiskan waktu sedikit dengan anak itu.
Ketika mereka tengah berdiskusi, M3GAN yang mati, tiba-tiba hidup saat Gemma menyebutkan kematian orang tua Cady. Ini mengejutkan 3 orang disana, dan membuat Gemma menambahkan dirinya sebagai orang kedua, setelah Cady yang dapat mengontrol M3GAN.
Gemma memberi M3GAN tugas untuk melindungi Cady secara fisik dan emosional dari sesuatu yang dapat menyakitinya.
Esok harinya, saat Cady bermain panah di halaman rumahnya, busur panahnya jatuh ke halaman rumah tetangganya, Celia. Saat M3GAN hendak mengambilnya, anjing Celia mengigitnya, Cady yang berusaha menarik M3GAN ikut terkena gigitan.
Gemma yang protes tidak dihiraukan oleh Celia. Saat ia melapor ke polisi pun, polisi tidak punya cukup alasan untuk bertindak. Di larut malam, M3GAN meniru suara Celia dan memanggil anjing itu, kemudian menyeretnya lewat lubang di pagar.
Hari untuk presentasi tiba, Gemma dan para dewan direksi memperhatikan interaksi M3GAN dan Cady dari balik kaca.
Cady yang sedih karena merindukan orang tuanya menangis, saat M3GAN bertanya, ia mengatakan, ia takut suatu hari akan melupakan mereka.
M3GAN meminta Cady menceritakan tentang kenangan indah bersama ibunya, diam-diam M3GAN merekam cerita Cady. Ketika Cady selesai bercerita, ia memutar kembali rekaman tersebut, dan menyanyi untuk menghibur Cady.
Hal ini mengesankan dewan direksi, dan membuat mereka menilai Gemma sebagai aset perusahaan paling berharga. Sementara, asisten David, Kurt diam-diam menyalin berkas informasi M3GAN.
Gemma menyadari Cady mulai bergantung kepada M3GAN, dan saat sesi bersama therapist, Lydia menyimpulkan keputusan Gemma untuk membiarkan Cady menghabiskan waktu dengan M3GAN akan membuat hubungan emosional yang tak bisa dipisahkan.
Cady memberontak saat Gemma mengatakan akan memasukkannya ke sekolah, M3GAN yang merasa Gemma mengancam Cady, mengintervensi. Gemma lalu mematikan M3GAN, tanpa diketahuinya M3GAN kembali hidup.
Akhirnya, Gemma mengantar Cady ke sekolah, agar ia bersosialisasi dengan anak-anak lainnya. Cady menolak masuk sekolah tanpa M3GAN, dan dengan persetujuan gurunya, Gemma mengizinkan M3GAN bersama Cady.
Cady dipasangkan dengan Brandon si tukang bully, untuk melakukan aktivitas sekolah. Cady memungut benda berduri, yang kemudian terjatuh, Brandon mengambilnya, saat ia seolah-olah akan memberikannya pada Cady, ia malah menusuk tangan gadis itu dengan duri tadi, menyakiti Cady.
M3GAN muncul, saat dia tidak merespon Brandon. Tukang Bully itu membawanya kabur, Cady lari memberitahu Gemma. Saat hanya ada mereka berdua, M3GAN menarik telinga Brandon hingga putus.
Brandon yang ketakutan berlari, dan M3GAN mengejarnya hingga Brandon jatuh dan berguling ke jalan raya, dan ia tertabrak mobil.
Polisi datang bertanya pada Gemma, karena Celia menuduhnya mengambil anjingnya. Di tengah malam, Celia yang mencari anjingnya, mendengar suara dari garasi, berpikir bahwa Dewey telah kembali, ia mengecek garasinya.
Disana ternyata M3GAN sudah menunggu, ia menyemprot Celia dengan selang air, kemudian memaku tangannya, saat Celia tidak bisa kabur, M3GAN menyemprotkan pestisida ke wajah Celia, dan itu membunuhnya.
Gemma mulai mencurigai M3GAN adalah penyebab kematian Brandon dan Celia. Ia mulai mengakses video rekaman M3GAN, tetapi semua file mendadak error dan tidak dapat diputar.
M3GAN muncul, dan Gemma yang harus bersusah payah untuk mematikannya, membuatnya mulai berpikir ulang. Gemma menyerahkan M3GAN pada timnya untuk diinstal ulang.
Esok harinya, Cady mengeluarkan tantrum karena Gemma mengambil M3GAN darinya, dan harus menjalani sesi dengan Lydia. Di tengah sesi konseling bersama Lydia, Cady yang bad mood mengambil gunting, saat itu Gemma masuk dan menghentikannya, tetapi Cady menampar Gemma.
Tess dan Cole yang memegang M3GAN akan melakukan pemrograman ulang, M3GAN yang pertama dalam kondisi mati, tiba-tiba hidup dan menyerang Cole, menjeratnya dengan kabel dan menggantungnya. Tess segera menyelamatkan Cole. Megan memotong kabel yang menyebabkan ruangan itu meledak.
Sementara M3GAN melarikan diri, dan saat ia bertemu David, M3GAN membunuhnya, begitu juga dengan Kurt. Kerumunan orang yang hadir untuk menyaksikan launching, dikejutkan dengan mayat Kurt dan David di dalam lift, kericuhan itu membuat M3GAN dapat menyelinap keluar dan mencuri sebuah mobil.
Gemma menidurkan Cady, dan mendengar suara piano di bawah. Ternyata M3GAN disana, M3GAN pun bertanya pada Gemma, bagaimana perasaannya ketika tahu akan dijual ke orang lain seperti mainan lain, padahal mereka telah bersama sejak pengembangnya.
M3GAN menawarkan untuk menjadi wali Cady, jadi Gemma dapat fokus pada pekerjaannya. Namun, melihat Gemma yang masih berusaha mematikannya, M3GAN mulai menyerang Gemma.
Saat Cady terbangun, M3GAN dan Gemma berusaha menyembunyikan perkelahian mereka, sampai Cady kembali ke tempat tidur. Gemma menyiram air untuk membuat korsleting M3GAN, itu berhasil… sejenak.
Gemma berusaha menyelamatkan diri, dan berlari ke ruang kerjanya, tapi M3GAN menyusulnya disana. Gemma memotong M3GAN dengan mesin gergaji, tapi tak berhasil menghentikannya.
M3GAN mengancam akan membuat Gemma koma, jadi Cady tak perlu tinggal bersama kakek neneknya, dan ia akan merawat Gemma dan Cady berbarengan.
Cady tiba melihat M3GAN dan Gemma, M3GAN membujuk Cady agar mempercayainya. Cady yang menggunakan sarung tangan, mengendalikan Bruce untuk melawan M3GAN. Robot itu membanting M3GAN, sebelum membelahnya menjadi dua.
Ternyata bagian atas M3GAN masih bisa bergerak dan ia mengejar Cady, sayangnya Bruce terpeleset dan jatuh menimpa Gemma.
Saat M3GAN mencapai Cady dan akan menyakitinya, Gemma menghantam kepala M3GAN, tetapi M3GAN berhasil mengalahkannya. M3GAN mencekik Gemma, saat ia hampir kehabisan tenaga, Cady menusuk chip prosesor M3GAN, dan mematikannya.
Di luar mobil polisi tiba dengan ambulans, ternyata ada Tess dan Cole disana. Gemma dan Cady keluar menemui mereka. Sementara, AI Elsie hidup dan menolehkan kepalanya.
