大都会是一个未来的城市，人类与机器人共存。但是机器人受到歧视，很多居民因失业，生活贫困，他们责怪机器人取代他们的工作。
雷德公爵是大都会的地下统治者，他监督巨大的摩天大楼杰古拉特完成，声称杰古拉特将让人类在地球上进一步扩大其权力。一个机器人破坏杰古拉特的开幕式，随后被马杜克党反机器人民团团长洛克击杀。私家侦探俊作和他的侄子健一则前往大都会，准备逮捕疯狂的科学家劳顿博士。
雷德公爵秘密聘请劳顿博士建造先进的机器人蒂玛，准备让她成为统治者，操作杰古拉特的武器。公爵的养子洛克为了阻止蒂玛完成，杀死劳顿博士，并放火焚杀实验室。
侦探俊作发现垂死的劳顿博士后，劳顿博士交给他一本笔记本。同时，健一于实验室找到蒂玛，然后他们落入下水道。健一与蒂玛无意间遭遇到洛克，为了逃离洛克的追杀，健一与蒂玛认识底层居民亚特拉斯。亚特拉斯计划发起革命，而大都会总统和市长尝试借此推翻雷德公爵的控制。然而，总统最高军事指挥官库赛将军反叛，并杀死总统。雷德公爵加强警戒，镇压革命，革命领导人亚特拉斯被杀死。在起义失败后，健一遭到公爵逮补，蒂玛被雷德公爵带回。洛克则被拔除反机器人民团团长一职。
洛克诱使蒂玛离开房间，但是之后遭到侦探俊作袭击，侦探俊作救出蒂玛。之后雷德公爵发现侦探与蒂玛行踪。公爵告诉蒂玛，她是一个“超人类”，注定要统治世界。然而，伪装成女仆的洛克开枪射击蒂玛，蒂玛的身体因此露出电路板，让她得知自己的真实身分。
蒂玛意识到她是一个机器人后，坐上宝座与杰古拉特合二为一，之后她下令对人类展开核攻击作为报复。机器人开始攻击雷德公爵，洛克不愿自己的父亲死在机器人手上，于是按下杰古拉特大楼的停止键，杰古拉特大楼于是开始毁灭。蒂玛失去记忆后，试图杀害健一。之后蒂玛回复记忆后反问健一：“我是谁？”，最后蒂玛从塔上坠落。
第二天早上，健一遇到一群机器人，它们发现一些蒂玛的零件。俊作和健一留下重建城市，因为健一想创建一个人类与机器人能够和平相处的城市。
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