Im Jahr 2029 sind viele Menschen Cyborgs, die ihren Körper teilweise oder weitestgehend durch künstliche Bestandteile ersetzt haben. Sogar das Gehirn lässt sich bis auf einige wenige Zellen durch ein sogenanntes Cyberbrain ersetzen. Verpackt in einer Biokapsel (der sogenannten Shell) stecken in jedem Cyborg menschliche Gehirnzellen mit seinem Geist (Ghost), der Identität und seiner Persönlichkeit.
Um so bedrohlicher ist daher das Auftauchen eines unbekannten Hackers, der seinen Spitznamen Puppenspieler der Tatsache verdankt, dass er die Sicherheitsbarrieren der Shell überwinden und somit die Cyborgs unbemerkt kontrollieren kann. Seine Opfer werden mit falschen Erinnerungen manipuliert, verlieren ihre Identität und begehen Verbrechen für den Puppenspieler oder seine Auftraggeber.
Nachdem er verschiedene Staatsbeamte unter seine Kontrolle gebracht hat und mit ihnen die Politik manipuliert, wird die geheime, für Cyberkriminaliät zuständige Sektion 9 des Innenministeriums mit der Suche nach dem Puppenspieler beauftragt. Doch die gefassten Personen haben keine Erinnerungen an ihre Taten.
Für Major Motoko Kusanagi, die Protagonistin des Films, ist diese Bedrohung sogar sehr persönlich: Durch ihre Arbeit für die Sektion 9 besitzt sie zwar einen hochmodernen Cyborg-Körper mit übermenschlichen Kräften, doch gleichzeitig macht ihre vollständige Abhängigkeit von der Technik sie zu einem potenziellen Ziel für Manipulationen des Puppenspielers. Als menschlicher Wesenskern ist ihr nur ihr Ghost, ihre Identität verblieben. Oft grübelt sie darüber nach, ob sie überhaupt noch ein Mensch oder nur ein künstliches Wesen mit einem künstlichen Bewusstsein ist. Da ihr Körper fast vollständig künstlich ist und sie die biologischen Bestandteile ihres Gehirns selbst nicht sehen kann, zweifelt sie an ihrer menschlichen Existenz.
Wie sich in den Ermittlungen herausstellt, ist der Puppenspieler ein Ghost, der aus unerklärlichen Gründen aus dem Netzwerk selbst entstanden zu sein scheint. Er besitzt kein organisches Gehirn, das sich in einer Shell oder in einem bestimmten Körper befindet. Dieses Wesen, das es eigentlich nicht geben dürfte, wird schließlich von der Sektion 9 in einem durch einen Unfall beschädigten, weiblichen Cyborg-Körper aufgespürt. Der in dieser Weise verkörperte Puppenspieler beantragt politisches Asyl bei der Sektion 9. Der Körper wird aber kurz darauf von anderen Organen der Regierung entführt. Als Kusanagi ihn schließlich befreit, eröffnet er ihr, dass er eigentlich die ganze Zeit nur sie gesucht hat. Durch seine Verbrechen hatte er versucht, die Sektion 9 und Motoko Kusanagi direkt auf ihn aufmerksam zu machen. Sein Wunsch ist es, seinen Ghost mit jenem von Kusanagi zu verschmelzen. Dadurch versucht er, das zu erlangen, was ihm zum definitionsgemäßen Leben fehlt. In der geistigen Verschmelzung sieht er eine Möglichkeit der Erneuerung des Lebens, eine Alternative zur ihm und auch Cyborgs wie Kusanagi nicht möglichen biologischen Fortpflanzung.
Letztendlich findet Kusanagi wohl eine Antwort auf ihre Existenzfrage und auf den Wunsch des Puppenspielers. Sie wird, da ihre alte Shell bei dem Befreiungsversuch zerstört wurde, von ihrem Kollegen und Vertrauten Batou im Körper eines jungen Mädchens reaktiviert. Sie versucht, sich Batou zu erklären, dankt ihm und sagt ihm, dass sie von nun an immer in seiner Nähe sein wird.
), ...
(Wenn nicht sogar 2 Jahre später)