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È più di una semplice bambola. Fa parte della famiglia. M3GAN è una meraviglia di intelligenza artificiale, una bambola a grandezza naturale programmata per essere la più grande compagna dei bambini e la più grande alleata dei genitori. Progettata da Gemma, brillante robotica di un'azienda di giocattoli, M3GAN è in grado di ascoltare, guardare e imparare, diventando amica e insegnante, compagna di giochi e protettrice del bambino a cui è legata. Quando Gemma diventa improvvisamente la tutrice della nipote orfana di 8 anni, Cady, è insicura e impreparata a diventare genitore. Sottoposta a forti pressioni sul lavoro, Gemma decide di abbinare il suo prototipo M3GAN con Cady nel tentativo di risolvere entrambi i problemi: una decisione che avrà conseguenze inimmaginabili.
Spoiler Ava, Ryan e la loro figlia Cady sono coinvolti in un incidente d'auto contro uno spazzaneve nelle montagne dell’Oregon. Cady è l'unica sopravvissuta e viene mandata a vivere con sua zia materna Gemma, che lavora come ingegnere robotico presso Funki, un'azienda di giocattoli tecnologicamente avanzata. Gemma sta lavorando allo sviluppo di M3GAN (abbreviazione di Model 3 Generative Android), una realistica bambola dall'intelligenza artificiale progettata per essere una fedele compagna per i bambini. Durante un primo test però la bambola va in tilt e David Lin, il capo di Gemma, le ordina di abbandonare il progetto. Il rapporto tra Gemma e Cady è molto difficile, poiché la bimba soffre ancora per la perdita dei genitori mentre sua zia è molto presa dal lavoro e non abituata ad accudire bambini. Gemma finisce allora di sviluppare ugualmente M3GAN, in modo che assista e sorvegli la nipote. Completata la bambola, Gemma dà una dimostrazione ai suoi superiori, durante la quale M3GAN viene formalmente accoppiata a Cady.
Le loro interazioni convincono David che la bambola sarà un grosso successo per l’azienda. Le abilità di M3GAN vanno oltre le aspettative di Gemma: insegna lezioni di vita a Cady, le ricorda di fare le cose e diventa una buona amica per lei. Tuttavia, i suoi colleghi Tess e Cole sono scettici e la terapista di Cady è preoccupata per il ruolo genitoriale che M3GAN ha assunto nella sua vita; in particolare, teme che Cady stia creando forti legami emotivi con M3GAN che saranno poi difficili da cancellare. Essendo progettata per apprendere e adattarsi all'ambiente circostante, M3GAN inizia a operare in modo più indipendente e, avendo come obiettivo principale quello di proteggere Cady, inizia a prendere di mira qualsiasi cosa ritenga una minaccia nei suoi confronti. Quando il cane della loro vicina Celia morde Cady, M3GAN lo uccide. Poi è la volta di Brandon, un ragazzo che maltratta nascostamente Cady, a cui M3GAN strappa un orecchio per poi spingerlo sulla strada facendolo investire da un’auto.
In seguito M3GAN uccide anche Celia quando accusa Gemma di essere responsabile della scomparsa del cane. Insospettita, Gemma controlla M3GAN e scopre che ha cancellato i file dei filmati e della sua posizione al momento della morte delle sue vittime. Interroga allora M3GAN al riguardo, la quale lascia intuire di aver ucciso. Impaurita, Gemma spegne M3GAN e la porta all’edificio Funki, suscitando l’ira di Cady, che non vuole esserne separata, per quanto sua zia le promette di essere una figura genitoriale migliore per lei. Nonostante l’imminente campagna mondiale per promuovere il prodotto, Gemma, Tess e Cole decidono di disattivare M3GAN. Mentre Gemma porta Cady a casa, Tess e Cole tentano di scollegare M3GAN, ma la bambola, divenuta completamente autonoma, li attacca, provocando un'esplosione nel laboratorio e fuggendo. Uccide David e il suo assistente Kurt, simulando un omicidio-suicidio, poi ruba un'auto e va a casa di Gemma. Nella colluttazione tra Gemma e M3GAN, che intende assumere il ruolo di unica figura genitoriale di Cady, la bambola ha la meglio e cerca di paralizzarla in modo che non possa più prendersi cura della nipote. Cady decide finalmente di aiutare la zia ed usa Bruce, un robot che Gemma aveva creato al college, per fare a pezzi M3GAN.
La metà superiore del corpo di M3GAN rimane attiva e tenta di uccidere furiosamente Cady, ma Gemma riesce a portare allo scoperto un chip di elaborazione nella testa di M3GAN che Cady trapassa con un cacciavite, disattivando finalmente la micidiale bambola robotica. Gemma e Cady escono di casa proprio mentre arriva la polizia con Tess e Cole. In quel momento però Elsie, l’assistente virtuale di Gemma a cui M3GAN si era precedentemente connessa, si attiva e le fissa.