No ano de 2046, o detetive Ross, recém-designado para a policia de Marte, depara-se com o assassinato da cantora popular Kelly no aeroporto. No entanto, Kelly não era humana; ela fazia parte de uma nova geração de andróides conhecidos como os Terceiros (andróides classe III). Após o incidente, Ross junta-se à detetive de 19 anos, Armitage, que demonstra uma raiva invulgar pelo assassinato de Kelly. Isto porque Armitage também é uma Terceira. Juntos, Ross e Armitage, que esconde a sua própria tristeza e mistério, caçam o culpado responsável pela destruição dos Terceiros. No processo, um novo vínculo entre humanos e robôs começa a formar-se.