2002年冬天，横浜大桥突然被战斗机炸毁，媒体虽然报导此为自卫队战机所为，但实际上这架战机却并不存在。民众广泛对自卫队产生了不信任感。特车二课第二小队的后藤（大林隆介 配音）队长察觉此事与在99年的那场事件中失踪的自卫队队员柘植有关——1999年，日本陆上自卫队的机器人 小队在一次联合国维和行动中遭到全歼。而柘植是特车二课第一小队队长南云（榊原良子 配音）原来的恋人。民众的不信任感达到了顶峰，处于戒严状态的东京面临着大骚乱，人们被即将爆发战争的危机笼罩着。在自卫队王牌队员荒川的帮助下，后藤（大林隆介 配音）和南云追查到了柘植的下落。后藤招集起泉（富永美伊奈 配音）、篠原（古川登志夫 配音）等特车二课原来的成员们，启动PATLABOR机器人进攻柘植的根据地……
本片是押井守导演推出了《机动警察PATLABOR》的第二部剧场版。

2029年，公安九课在市容很像香港的日本城市“新港市”中执行各种秘密任务。九课因为不顾正当程序的自作主张、强硬行事，往往与政府其他部门起冲突，例如负责外交的公安六课就与九课不合。另一方面，九课之中的重要人物，全身是义体的机械生化人草薙素子，对于自己的现状一直隐隐感到不满。有一天，公安九课因为一件外国政要的刺杀未遂案而开始追查神秘的黑客“傀儡师”。傀儡师能透过网络入侵人脑，植入虚拟记忆，再利用记忆被窜改的对象来达成目的。虽然九课的追查没有成功，藏有傀儡师的“灵魂”的机械生化人却自行来到九课。公安六课随后赶来将傀儡师绑走。草薙素子因为在事前就推测出六课的绑架行动而成功拦截傀儡师。这时发现原来傀儡师并不是人类，而是公安六课设计来非法操纵人类的电脑程式“2501计划”。2501计划在意外中产生自觉意识，决定逃出六课以求生存，并且要求和草薙素子的灵魂“融合”以求进一步发展。草薙素子最后在同事巴特的协助与掩护下完成融合并且脱离政府掌握，下落不明，其意识与整个网络融合。