Thomas Anderson lavora presso la Metacortex come programmatore di software. Di giorno è un cittadino modello, rispettoso della legge, mentre di notte vive una seconda vita, come un hacker sotto lo pseudonimo di "Neo" e in questa veste ha commesso praticamente tutti gli illeciti informatici possibili. Sorvegliato dagli agenti Smith, Brown e Jones, viene arrestato
Una notte, compaiono sul monitor di Anderson una serie di frasi criptiche riguardo a qualcosa chiamato "Matrix". Desideroso di sapere cosa sia, accetta una richiesta di contatto da parte di Trinity, esperta hacker braccio destro del misterioso Morpheus, che lo conduce da lui dopo avergli estirpato la cimice. Neo chiede di conoscere di più riguardo al loro operato e questi si offrono di rivelargli il vero mondo in cui vivono. Dopo aver ingerito la pillola, si sveglia bruscamente, realizzando di essere all'interno di una tra tante enormi torri circolari che ospitano miliardi di incubatrici contenenti esseri umani.
I cavi vengono scollegati, Neo viene espulso e recuperato da Morpheus che lo porta a bordo della sua nave, la "Nabucodonosor", con il suo equipaggio. Viene sottoposto a una terapia riabilitativa per ricostruirgli i muscoli che nell'immobilità non ha mai usato e, successivamente, gli viene mostrata la realtà che li circonda: un mondo in cui l'umanità sta combattendo contro le macchine dotate di intelligenza artificiale create agli inizi del ventunesimo secolo, ribellatesi all'umanità.
Il mondo nel quale Neo è vissuto fin dalla nascita è in realtà Matrix, una neuro-simulazione interattiva costruita sul modello del mondo del 1999 per tenere calmi gli umani coltivati, immobilizzati fin dalla nascita e nutriti con i cadaveri dei defunti. Morpheus e la sua squadra sono ribelli che liberano dalla prigionia di Matrix solo coloro che nonostante siano stati dentro Matrix fin dalla nascita, provano un senso di estraneità per il mondo che li circonda, sentendosi mal riposti e che agognano alla libertà. Morpheus crede che Neo sia "l'Eletto", colui in grado di decodificare Matrix e porre fine alla guerra contro le macchine, risvegliando così l'intera umanità dalla "simulazione onirica" di Matrix stessa. Lo scopo dei ribelli è anche quello di nascondere i pochi superstiti scampati a Matrix e alle seppie, asserragliati in una zona ignota del centro della terra chiamata "Zion".
Il gruppo, successivamente, entra in Matrix e porta Neo dall'Oracolo, la donna che aveva predetto l'arrivo dell'Eletto. Neo non ottiene risposte chiare dall'Oracolo, il quale afferma che Morpheus crede in lui ciecamente, tanto che sarà pronto a sacrificare la propria vita per salvarlo e che ci sarà un momento in cui uno tra loro due dovrà morire, e dipenderà da Neo scegliere chi salvare. Terminato l'incontro con l'Oracolo, il gruppo ritorna alla linea telefonica per uscire da Matrix, ma viene braccato dagli Agenti e ufficiali di polizia, che avevano intercettato le loro comunicazioni. Morpheus decide di farsi catturare nella speranza che Neo venga tratto in salvo.
Morpheus è ancora prigioniero degli Agenti, che vogliono carpire la posizione di Zion e distruggerla. Non volendolo abbandonare, Neo e Trinity ritornano in Matrix e, dopo numerosi scontri a fuoco, riescono a salvare il loro capitano. Morpheus e Trinity evadono da Matrix usando il telefono della metropolitana, mentre Neo, che viene intercettato da Smith, sopravvive a uno scontro con quest'ultimo. Neo salva Morpheus e scopre di essere l'eletto.
Neo vede Matrix com'è realmente: un insieme di righe verdi di codice di programmazione. L'agente Smith tenta disperatamente di attaccarlo ma invano perché Neo riesce a distruggerlo, entrando dentro di lui e facendolo esplodere. Messi in fuga gli altri due agenti, Neo ritorna appena in tempo affinché Tank e Morpheus eliminino le seppie con un IEM. Neo, finalmente consapevole della propria identità e dei propri poteri, è adesso pronto a combattere in difesa dell'umanità.
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