Gemma es una brillante robotista de una empresa de juguetes, y ha decidido utilizar inteligencia artificial para desarrollar M3GAN, una muñeca que aparenta tenar vida propia y que está ideada para ser la compañía perfecta para los niños. Después de que Gemma reciba la custodia de su sobrina tras la muerte de sus padres, la ingeniera decide utilizar a M3GAN para lidiar con la pequeña. Sin embargo, esta decisión le acarreará unas consecuencias inimaginables.