Молодой человек Томас Андерсон ведёт двойную жизнь. Днём он — программист в крупной компании, а ночью — хакер Нео. Однажды на его персональный компьютер приходит странное сообщение: «Ты увяз в Матрице» (The Matrix has you). Неизвестный даёт ему указание «идти за белым кроликом»[5].
Сразу после этого сообщения раздаётся стук в дверь — это были его заказчики. Расплатившись с Нео, они приглашают его в ночной клуб. Томас сначала отказывается, но увидев среди заказчиков девушку с необычной татуировкой в виде белого кролика, передумывает. Там он знакомится с девушкой-хакером по имени Тринити (англ. Trinity — Троица). Она обещает раскрыть Томасу тайну Матрицы, и для этого последний должен встретиться с тем, кто его давно ищет, — Морфеусом, которого власти считают опаснейшим террористом. У Нео не остаётся времени для колебаний, потому что его компьютерными преступлениями уже заинтересовались так называемые «агенты» — своеобразные «охранники» Матрицы.
Арестовав Нео на работе, они допрашивают его и предлагают сотрудничество. Нео отказывается, и агенты вживляют ему жучка, после чего мистер Андерсон просыпается в своей квартире от телефонного звонка Морфеуса. По дороге к нему Тринити извлекает жучка, и Нео понимает, что это был не сон. Морфеус предлагает мистеру Андерсону увидеть Матрицу собственными глазами и предлагает на выбор две таблетки — синюю, приняв которую, Нео проснётся в своей постели и будет считать, что ему всё приснилось, и красную, которая позволит Нео понять, что такое Матрица. Нео выбирает последнюю из них и попадает в жуткий разрушенный мир, который оказывается настоящим.
Он узнаёт, что привычный ему мир является иллюзией, порождённой искусственным интеллектом суперкомпьютера. Планета погружена в вечный сумрак, а города лежат в руинах. Люди порабощены всесильными машинами, чтобы производить энергию, необходимую машинам для выживания. Те немногие, кто смог сохранить сознание, прячутся в катакомбах и ведут партизанскую войну против машин, научившись самостоятельно входить и выходить из Матрицы.
Последним городом человечества является расположенный глубоко под землёй Зион, из которого предпринимаются отчаянные вылазки на летающих кораблях в мир Матрицы для спасения подключённых к ней людей. Один из таких кораблей носит название «Навуходоносор», и его капитаном является Морфеус. Он верит, что Нео — Избранный, который уже рождался, когда только Матрица была создана, с редкой возможностью изменять всё вокруг и подстраивать Матрицу под себя.
Именно он и спас первых людей из движения сопротивления машинам, раскрыл им правду и сможет спасти человечество. В разум Нео загружают все виды боевых искусств, чтобы он смог противостоять агентам. Морфеус проверяет Нео в бою, в котором он сначала легко одолевает его, но потом Нео удаётся одолеть Морфеуса. Далее он учит Нео совершать огромные прыжки, но у последнего это не получается с первого раза, как и у всех. Команда удивляется этому, так как если он — Избранный, то законы Матрицы должны быть ему по силам.
Однако в экипаже «Навуходоносора» появился предатель Сайфер, готовый променять жизнь своих друзей и свободу разума на иллюзию счастья, предлагаемую системой. Он выдаёт своих бывших друзей агентам — охранным программам Матрицы, которые жаждут получить коды доступа к Зиону, когда вся команда направляется к Оракулу, чтобы Нео смог узнать, избранный он или нет. Оракул предсказывает, что Нео должен будет сделать выбор между своей жизнью и жизнью Морфеуса.
Морфеус попадает в плен к агентам, спасая Нео. Сайфер убивает половину команды, но Тэнку, оператору, удаётся убить его с помощью винтовки Теслы. Нео и Тринити ценой сверхчеловеческих усилий спасают своего капитана. Когда они почти выходят из Матрицы, агент Смит успевает прострелить телефонную трубку, и Нео не успевает выйти. Он решает вступить в схватку с агентом, так как Пифия сказала, что каждый решает для себя сам, кем ему быть.
В тяжёлой схватке Нео с трудом удаётся обезвредить одного из агентов и бежать от остальных. Когда он уже заходит в комнату с телефоном, Смит убивает его. Однако Нео, ощутив в себе силу, оживает, так как на самом деле он и есть Избранный. Он с лёгкостью уничтожает Смита, разрушив его программный код. В конце фильма Нео звонит по телефону: он обещает, что покажет людям, запертым в Матрице, что на самом деле они живут в мире, где нет правил и границ — в мире, где «возможно всё», после чего взмывает в небо.