東京帝國大学次元物理学部の教授で宇宙理論学の教鞭をとる沫嶋黎士（木村拓哉）は、髪はボサボサであまり外見にこだわらず、人と接することが苦手。学生たちの間では“いちいち残念”と言われているが、学者としてはその世界で広く認められる頭脳を持つ天才でワームホール理論の最先端の研究者だ。 そんな黎士はある日、自身の導き出した理論から自分自身が100％の確率で数時間後に殺され、更にその数十時間後には自分の婚約者で大手IT会社に勤める安堂麻陽（柴咲コウ）も殺されると悟る。 「僕と君は殺される。君の命は、僕が殺されても絶対に護る。100年先もずっと、ずっと護るから」 黎士の告げた言葉を最初は冗談かと思う麻陽。だがその後、黎士が姿を消してしまったと連絡を受け、その行方を心配する。 そんな矢先、黎士が成田空港から国際線に搭乗していることが判明するのだが、なんとその飛行機が爆発事故で墜落したとのニュースが入り、麻陽は黎士の死に愕然となる。 受け入れ難い黎士の死に憔悴する麻陽だったが彼女にも暗殺者の魔の手が襲い掛かる。そんな麻陽の目の前になんと黎士と容姿がそっくりな謎の男・ロイド（木村拓哉／2役）が突然現れる—。ロイドは麻陽の命をあらゆる危険から護るようクライアントから依頼されていると告げるが…。
婚約者の黎士（木村拓哉）を突然失ったショックから衝動的に地下鉄のホームで電車に飛び込んでしまった麻陽（柴咲コウ）だったが、間一髪のところで黎士に瓜二つの謎の男・ロイド（木村拓哉／２役）に救出される。麻陽は黎士の死とロイドの出現に心の整理が追いつかないまま自分を心配して探しに来た部下の星（桐谷健太）と共に会社に戻るが、そんな麻陽の元に早くも新たな暗殺者・キュリー（柿澤勇人）が麻陽の命を狙って会社に侵入して来る。社内の警報アラームにより不正侵入者の存在に気付いた麻陽はその侵入者が自分を襲ったラプラスと同様の暗殺者だと察する。麻陽は自分の元をちょうど訪ねて来ていた七瀬（大島優子）の身にも危険が及ぶと懸念し、七瀬を引き留めようとするが、時既に遅く、キュリーが二人に襲い掛かってくる。 同じ頃、地下鉄のホームでは麻陽が電車に飛び込んだ姿を目撃していた刑事の葦母（遠藤憲一）が現場検証にあたっていた。目撃情報はあるものの死体が見つからず、捜査は混乱。結局ホーム天井の一部が落下しての事故と結論付けられたが、１日のうちに２度も殺されかけた麻陽の姿を目撃した葦母は、麻陽に何か裏があると感じる。 一方、麻陽をラプラスの攻撃と飛び込んだ電車から救出したロイドはサプリ（本田翼）の手当てを受け傷ついた体の回復に努めていたが、そんなロイドにもキュリーと共に放たれた暗殺者・バルス（柿澤勇人／２役）が襲い掛かる。
ロイドは秘密を知った七瀬を殺すと言い、大学で彼女に襲いかかる。駆け付けた麻陽が彼女をロイドから必死でかばい、七瀬は秘密を共有することになる。ところがロイドとの生活は、回復のために大量の充電を必要とするため麻陽は日常生活に支障をきたし不満を募らせる。麻陽はロイドを破壊しようとチェーンソーなどを手に襲いかかったところ、サプリが手配した警察にDV容疑で捕まり拘留されてしまう。釈放されたあと、七瀬になりすました暗殺者ボルタが麻陽を襲い、ロイドがまたも倒す。そんな中で、麻陽はロイドが「殺人マシン」としての過去の記憶にうなされる姿や、物に対する黎士を思わせる態度などを見て、感情を持たないはずの彼に感情があるのではと考える。やがて、七瀬の調べにより、生前の黎士が100年後の何者かとメールで連絡を取り合っていたことが判明する。
アメリカ在住の黎士の親友・桐生貴志が突然桐生が麻陽たちの元に訪れる。桐生はロイドが黎士になりすましているとは気付かず再会を喜ぶ。同じ頃、葦母は出所したばかりの知人でテロリストの川島に会うが、その正体は暗殺者のドルトンで、突然襲撃され危篤状態に陥るも、サプリが未来の特効薬を投与して意識を回復する。また、未来との通信について調べる七瀬に謎の美少女が接触してくる。その後、麻陽が帰国する桐生と挨拶を交わしていたところ、突然豹変した桐生が襲いかかり、ロイドが助けに来る。実は暗殺者のナビエが桐生になりすましていたのだ。ナビエはかつてロイドの仲間で、2人共高度な人工知能を持つゆえに感情が芽生え、大量虐殺を犯した記憶に苦しむようになったが、ナビエは苦痛に耐えられずその記憶を消していた。ロイドは乱入するドルトンを倒しナビエと対決、ロイドに倒され停止する間際、ナビエは仲間としての記憶を甦らせる。麻陽は黎士が残した愛情の証である婚約指輪をロイドから受け取り、仲間との思い出を大切にし辛い記憶も消さずにいるロイドに共感する。麻陽はロイドと食事を共にするようになり、彼を「安堂ロイド」と名付ける。
入院中の葦母は驚異的回復を遂げるが、調査を依頼していた鑑定屋・伍代が殺されたことを知り公務に復帰する。一方、星は黎士の生還に不審を抱き、彼の関連データをハッキングしてロイドが黎士になりすましている秘密に気付き始め、麻陽を問い詰める。麻陽は星の身を案じてこの件に近づかないよう忠告するが、星は伍代の残したデータを手に葦母に接触する。葦母は2113年の警察が現代で殺人を行っていることに気付いており、2066年のロイドが所属する虐殺器官・ARX部隊でテロを起こし10億人近い人類を殺害したことなどを星と話し合う矢先、葦母の部下・冨野好雪が突然暗殺者に乗り移られ二人に銃を向ける。葦母と星は助かるが冨野はその場から消え、次いで麻陽に接触して命を狙う。 ロイドは黎士の代わりに大学で講義を行い、ピエール＝シモン・ラプラスの提唱する未来に関する概念への反論として人の思いは未来を変えられるというクライアントの伝言を説く。七瀬はその言葉を黎士のメッセージではないかと考えるが、謎の美少女が再び現れ、七瀬に全知全能に近い自分たちの未来の技術を伝えようと誘惑する。その頃、ロイドの身体は不調が次第にひどくなり、サプリは芽生えた感情と戦闘プログラムとのエラーによるバグであり記憶を消して初期化するしかないと診断する。記憶を消されることを拒むロイドは不調のまま麻陽を守るため戦闘に向かい、アスラシステムを2度に渡り起動するも冨野の姿をした敵に追い込まれる。サプリはロイドを助けるため、彼に感情のプログラムをインストールして記憶を保ったままバグを治すが敵の本体に自分の体を侵
麻陽とロイドがサプリの死を悼みつつ生活するある日、麻陽の母・景子が余命がいくばくもないため、早く娘の花嫁姿を見たいという。景子の思いを叶えるため、麻陽と黎士のふりをするロイドは婚礼衣装を着て家族写真を撮るが、実は景子の病気は結婚式を延期している二人を心配してついた嘘だった。ロイドはなぜか黎士の名で呼ばれることに対して怒り、麻陽の部屋に帰らなくなる。麻陽から話を聞いた七瀬はロイドが黎士に嫉妬しているという。その陰で、七瀬も優秀な兄に抱いていた嫉妬と、自分を兄と比べる両親を殺したのが七瀬自身であることを謎の美少女に指摘される。 一方警視庁では冨野の遺体が発見される。葦母は星に手を引くように言うが、星は麻陽のために命を賭ける決意をして引き続き協力を続ける。そして星は麻陽に対してロイドが「物」にすぎないアンドロイドであることを指摘し、彼は暗殺者の仲間で騙されているのだと言い、愛を告白するが、麻陽は聞く耳を持たずロイドを信じると答える。その夜麻陽を襲おうとする暗殺者フレミングを捕らえたロイドは、彼が家族を持つことを知り、麻陽の言葉を思い出して見逃す。 やがて暗殺者たちが未来と通信し、保存された黎士の脳データによって未来と過去間の通信回線が絶たれていることが判明し、黎士の脳データが破壊される。ロイドは葦母に銃撃されるがやはり家族のいる相手を殺す事ができない。そのとき麻陽をフレミングが率いる暗殺者たちが襲おうとし、ロイドはその場から消え麻陽を助ける。フレミングが自分を騙したことを知ったロイドは怒りに燃え、クライアントの命令でな
麻陽はその場に現れた葦母の手助けで動かないロイドを自宅に運び、七瀬に電話をし修理を頼むが拒絶される。麻陽は葦母の助言で星に修理を頼むことにする。その後、星は葦母に呼び出されて公安上層部の幹部たちに面会する。未来の警察と既に通じ取引をしている彼らは、修理に乗じてロイドを抹殺する処理をするよう星に頼む。その作業中、星はロイドらのいたARX部隊の紋章がフランスの死刑執行人家系のものと同じと知り、2066年に行われた大量虐殺が支配階級の人類による虐殺命令をアンドロイドたちの反乱に見せかけたものだったこと、それに反抗したロイドが命令した要人たちを殺害したことに気付く。さらに麻陽のロイドを守ろうとする意志の強さを知って星はロイド抹殺を止めるが、公安幹部は麻陽たちの元にSITを送り込んで抹殺を実行させようと脅し、麻陽と星の命を狙う。しかし麻陽は黎士のメッセージとみられる未来からのメールに励まされ、ロイドが起動するまでの時間を稼ごうとSIT隊長に対面する。別人がなりすまして星を騙すために監禁されていた葦母もその場に駆けつけ、ロイドを守ろうとする。その時、プログラムの修復によってロイドは復活。ロイドはSITを制圧すると公安幹部に麻陽の命を狙えば警察上層部を皆殺しにすると脅す。戻ってきたロイドを麻陽は喜んで迎えるが、彼は麻陽に名前を与えられた記憶を失っていた。
麻陽と過ごした記憶を失い、任務だけを無感情に遂行する人格に戻ってしまったロイドは、葦母と星に銃を向けるが麻陽の説得で思いとどまる。麻陽はロイドの記憶が必ずどこかに残っていることを信じ、七瀬の元に相談に訪れるが、七瀬は突然豹変し、自分から兄を奪った麻陽を罵り扼殺しようとする。七瀬は「レイコ」と呼ばれるその別人格に抵抗して意識を失い、解離性同一性障害と診断されそのまま入院する。一方ロイドは謎の美少女と対峙する。彼女は未来から送られたロイドのデータを元に2013年に作成されたアンドロイドで、ロイドの「妹」を名乗り、人類を絶滅させアンドロイドにより世界を支配しようと誘うがあくまで麻陽を守ろうとするロイドは彼女と対戦する。しかし謎の美少女もアスラシステムを起動し、ロイドは勝つことができない。その頃警察機体たちは政府の大物政治家と交渉するなどロイド抹殺を目論むが、謎の美少女に殺されたあとぬいぐるみの中にデータとして保存されたポリスクラウドのリーダー・角城元が、麻陽たちの味方になることを決意して離反する。そして未来から再送信され復活したサプリが、ロイドと互いに感情のプログラムをインストールし合って共に記憶を取り戻し、角城をプリントアウトして復活させる。角城は、黎士が人の想いを伝える素粒子が存在すると考え実際に発見し、それによって未来と通信していたが麻陽に危険が及ぶことを案じ、2013年とのゲートを閉じたこと、そのため未来の警察機構が麻陽を殺害しようとしていること、自分が殺されることで脳データと化して未来からアンドロイドを送り込み、麻陽を守ろうとしていることなどを一同に説明する。
入院中の七瀬は謎の美少女にそそのかされて凶暴な別人格・黎子を再び目覚めさせ、医師たちに重傷を負わせて病院から逃亡する。連絡を受け、麻陽やロイドたちは七瀬の行方を捜す。その最中、麻陽とロイドはケプラとメンデルに遭遇し襲われる。ロイドは最後のアスラシステムを起動するが、OSをアップグレードしたケプラたちに勝つことができない。突然上空に現れた雷雲に驚いたケプラたちはその場を去るが、ロイドは大きなダメージを負う。一方、七瀬の行方を捜すため彼女のパソコンを調べていた黎士の助手たちは、七瀬が未来から送信されたロイドのデータを元にアンドロイドを開発し、2013年の現代にプリントアウトしたことを知る。それこそが、謎の美少女、すなわちLAST QUEEN（LQ）だった。助手たちの元に現れたLQは彼らを連れ去り、その後研究室に来て異常に気付いた星と葦母は、凶暴化した七瀬に襲われ監禁される。しかし、そこで星に兄が妹の才能を高く評価し、研究者としての心の励みとしていたことを聞かされた七瀬は、元の人格に戻り彼らを助けようとする。だが、LQは七瀬を、そして星と葦母も銃撃する。その頃、日本の大物政治家は未来の警察と交渉を進めていたが、人間がアンドロイドのコントロールを失うことを恐れて直前に拒否し、その場に現れたLQに銃撃される。ロイドは回復が充分でないながらもLQの元へ現れ、政治家を原子還元処理しようとするケプラを返り討ちにする。サプリの協力で政治家と星たちを安全な場所で治療し、角城はLQが人質に取った助手たちを助ける。ロイドは様々な人々の思いに自分が生かされていることを語り、LQと対決する。
ロイドはLQ・メンデルと対決するも追い込まれ、助けに現れたサプリと共に危機一髪のところ、回復した七瀬がLQに愛情のプログラムを強制インストールして苦悩の末システムダウンさせたことで助かる。しかし原子還元処理を行おうとするとLQは反撃し、ロイドたちは退避する。七瀬はLQに狙われることを悟って麻陽たちの安全のためにその場から離れ、LQを欺いて機能停止を実行、メンデルを角城が倒して全ては終わったかに思われた。だが、LQは回復し、麻陽たちと落ち合う七瀬の腹を突き破り殺そうとする。LQは麻陽に降参を迫る。しかし満身創痍のロイドはその場に現れ、角城はメンデルと相打ちを図って共に原子還元される。LQは世界のトップが自分たちの子孫のみの繁栄と引き換えにアンドロイドに世界を売り渡したことを告げ、人類は守るに値しないと言うが、ロイドは未来を託す価値のある人間に未来を任せれば自分たちが虐殺を起こすような事態は起きないと反論し、あくまで人間の力を信じる。そこへ警察上層部から送り込まれたSITが現れ、麻陽たちに銃を向ける。しかし、葦母の涙ながらの説得により、隊長は銃撃を停止させる。業を煮やしたLQはロイドに原子還元処理を行う。ロイドは麻陽に感謝と別れを告げ、原子還元処理の火球とともにLQを抱き込んで上空にウージングアウトし、共に爆発し消滅する。 その後、黎士と麻陽の結婚式が予定されていた日、皆は無事で平和に過ごし、麻陽の部屋には突然ロイドが再度プリントアウトされる。消滅したロイドはメモリーチップとなって海底で浸食に耐え、100年後の科学者に発見され、黎士に肉体を返すために未来から再度送信されてきたのだ。ロイドはメモリーチップを排出して停止し、サプリがそれを回収しに現れる。ロイドの肉体には未来から黎士の脳データが送信される。サプリはロイドからの、麻陽と黎士の幸せな未来を守るため、何かあれば再び現れることを約束するという伝言を残し、二人を祝福して去る。生体活動モードに移行し復活した黎士は目を覚まし、麻陽と再会を喜びあい、物語は終わる。
