Thomas A. Anderson (Keanu Reeves) es un programador informático de día, y de noche es un intruso que usa como alias el nombre de Neo. Pasa su vida buscando una persona, Morfeo (Laurence Fishburne), y la respuesta a una pregunta: ¿Qué es Matrix? Un encuentro con otra intrusa, Trinity (Carrie-Anne Moss), le conduce hasta Morfeo y la respuesta a sus dudas.

Neo descubre que el mundo en el que creía vivir no es más que una simulación virtual creada por una comunidad de máquinas superevolucionadas, que ahora controlan el planeta, a la que se encuentra conectado mediante un cable enchufado a su cerebro. Los miles de millones de personas que viven conectadas a su alrededor están siendo cultivadas de la misma manera para poder dar energía a las máquinas. Esta ilusión colectiva (o simulación interactiva) es conocida como Matrix.

El grupo de rebeldes del mundo real que lidera Morfeo rescata a Neo de donde se encontraba preso y le explican en qué consiste la realidad, se encuentran cerca del año 2199 y la humanidad está esclavizada por las máquinas, que después del desarrollo de la Inteligencia Artificial, se rebelaron contra sus creadores y ahora utilizan la especie humana como fuente de energía. Morfeo también le cuenta a Neo que cree que él (Neo) es el Elegido. Este Elegido, según la profecía, será el encargado de liberar a la humanidad de la esclavitud a la que está sometida.

El mundo virtual de Matrix se convierte en el campo de batalla donde Neo deberá combatir contra los agentes de Matrix, que son unos programas que intentan impedir que los rebeldes rescaten a las personas que están conectadas, y en particular contra el temible Agente Smith (Hugo Weaving).

Al final Neo resultará ser el Elegido y desarrollará un gran poder que le permitirá manipular la Matrix hasta extremos nunca vistos hasta entonces. Será capaz de enfrentarse con los agentes y derrotarlos.