En 2049, à Los Angeles, l'agent K, un réplicant de la génération Nexus 8, travaille pour le LAPD. Il est chargé de traquer et d'éliminer les réplicants rebelles, ceux qui refusent d'être les esclaves des humains. Après une opération, il trouve un coffre contenant les restes d'une réplicante, apparemment morte en couches. Son enfant, qui a disparu, intéresse grandement le lieutenant Joshi, supérieur de K, mais aussi le milliardaire Niander, dont la société a repris la fabrication de Réplicants après la faillite de la Tyrell Corporation. L'agent K, qui va de découverte et découverte, se retrouve bientôt menacé de mort.