Sam Flynn (Garrett Hedlund) é filho de Kevin Flynn (Jeff Bridges), um programador informático que, há duas décadas, desapareceu sem deixar rasto. Quando Alan Bradley (Bruce Boxleitner), o sócio do pai, recebe uma estranha mensagem de Kevin, decide informar Sam. Este, nas suas investigações, dá por si digitalizado e transportado para dentro do computador, encontrando-se num mundo cibernético comandado pelo despótico Clu (Jeff Bridges), onde o seu pai se encontra aprisionado há vinte anos... Os dois vão reencontrar-se e, ajudados por Quorra (Olivia Wilde), tentar regressar ao mundo real.