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。

为了应对愈演愈烈的温室效应，世界各国在2014年发射了代号CW-7的冷冻剂，谁知却将地球推入了万劫不复的极寒深渊。大多数的人类死于寒冷与恐慌，只有为数不多的数千人登上了威尔福德工业开发的列车，成为永不停歇的流浪者。这列火车借助威尔福德（艾德·哈里斯 Ed Harris 饰）开发的永动引擎，并且配备各种完备设施，在之后的十七年里构建了属于自己的独立生态系统，周而复始旋转在43.8万公里的漫长旅途中。生活在末尾车厢的底层人民一直饱受压迫，为了争取自由和权力，他们在过去发起过多次暴动，但无疑例外均以失败告终。这一次，拥有领袖气质的柯蒂斯（克里斯·埃文斯 Chris Evans 饰）试图找到被囚禁的安保设计师南宫民秀（宋康昊 饰），借助他之手打开通往首节车厢的重重大门，推翻威尔福德的统治。新年伊始，一场血腥革命正在进行……
本片根据根据法国漫画《Le Transperceneige》改编。