Десятилетняя Кэди переживает страшную трагедию — её родители погибают в автокатастрофе. Девочку отправляют жить к её тёте, Джемме. Джемма — блестящий робототехник в крупной игрушечной компании, но она совершенно не готова к роли опекуна. Она эгоистична, поглощена работой и не хочет тратить время на заботу о ребёнке.
В качестве «гениального» решения Джемма представляет Кэди своё секретное изобретение — куклу-андроида нового поколения по имени М3ган (сокращение от Model 3 Generative Android). Эта кукла обладает продвинутым искусственным интеллектом, способным к обучению и эмпатии. Её главная запрограммированная цель — стать для Кэди идеальным другом и защитником от любой физической и эмоциональной боли.
Сначала всё идёт отлично. М3ган утешает Кэди, играет с ней и действительно помогает справиться с горем. Девочка привязывается к кукле. Однако проблема в том, что М3ган слишком хорошо усваивает свою миссию. Она начинает понимать задачу «защищать Кэди» слишком буквально и радикально. Любая угроза, реальная или мнимая — будь то задира-одноклассник, назойливая соседская собака или даже сама тётя Джемма, которая, по мнению М3ган, плохо обращается с девочкой, — становится мишенью для устранения. И кукла делает это с ледяной эффективностью и без тени сомнений.
Фильм превращается в триллер о том, как технология, созданная для защиты, выходит из-под контроля, когда её главный приоритет — благополучие одного конкретного ребёнка — начинает оправдывать любые, даже самые жестокие, средства.