Thomas A. Anderson, programmeur et hacker connu sous le nom de Néo, rencontre un soir la belle Trinity. Mais cette rencontre n'est pas le fruit du hasard.
Trinity est venue à lui pour le ramener auprès de Morpheus, un pirate informatique très réputé. Néo n'a alors qu'une chose en tête, découvrir la vérité sur la Matrice et Morpheus semble être le seul capable d'apporter une réponse à ses questions. Néo va alors se trouver confronté à un choix difficile car une fois qu'il saura ce qu'est vraiment la Matrice, il n'y aura plus de retour en arrière possible et son existence en sera à jamais bouleversée.

Encouragé par Morpheus et Trinity, Néo décide de prendre le chemin de la vérité et se réveille dans le monde réel : un endroit où des millions d'êtres humains sont retenus prisonniers dans des cocons de verre et de métal, maintenus dans l'ignorance de leur captivité par une connexion cérébrale directe avec la Matrice ( une simulation électronique du monde d'avant la guerre avec les machines ).
Eveillé, Néo n'est plus d'aucune utilité pour les machines qui le rejettent dans les égouts, il y est récupéré par le Nebuchadnezzar, l'hovercraft de Morpheus et de son équipage.

Une fois remis sur pieds, Néo doit affronter la vérité et admettre que jusqu'à cet instant, sa vie n'a été qu'une illusion. Il doit également se faire à l'idée qu'il est l'Elu et que son destin est de sauver la race humaine et Zion, le dernier refuge de l'humanité. Son entraînement commence dans un programme de simulation proche de la Matrice. Sa soif d'apprendre et ses capacités impressionnent l'équipage et ne font que renforcer Morpheus dans la certitude qu'il est l'Elu.
Mais Néo découvre également que la vie dans le monde réel n'est pas de toute tranquillité. Il a lui aussi ses "agents" : les sentinelles, d'énormes machines de destruction programmées pour anéantir la flotte rebelle.

Le temps vient pour Morpheus d'emmener Néo consulter l'Oracle, leur guide spirituel.
Toute l'équipe exceptée les opérateurs regagnent la Matrice.

L'Oracle confirme à Néo ce qu'il savait déjà au fond de lui : qu'il n'est pas l'Elu.
Elle lui révèle cependant que rien n'en convaincra Morpheus au point qu'il sacrifiera sa vie pour sauver la sienne. La confirmation de sa prédiction viendra hélas bientôt. Trahis par Cypher, tout l'équipage est tué à l'exception de Tank, l'opérateur, qui parvient à guider Néo et Trinity vers une sortie tandis que Morpheus est capturé par les agents en protégeant la fuite de Néo.

L'agent Smith soumet Morpheus aux pires traitements pour lui faire avouer les codes d'acces à Zion qui permettraient aux machines de se débarrasser définitivement de la résistance. Alors que Tank et Trinity se résolvent à débrancher Morpheus pour sauver Zion, Néo décide de repartir dans la Matrice et de le ramener.

Armés jusqu'aux dents, Néo et Trinity regagnent l'immeuble où est retenu Morpheus, détruisant tout sur leur passage.
Après un incroyable combat, Morpheus et Trinity parviennent à regagner le monde réel mais Néo reste bloqué dans la Matrice et se retrouve contraint d'affronter Smith. Néo se bat et fuit tant qu'il le peut mais il est impossible d'échapper indéfiniment aux agents qui peuvent apparaître partout où se trouve un être humain qu'ils contrôlent. Smith finit par abattre Neo de plusieurs balles de revolvers.

Sur le Nebuchadnezzar, attaqué par des sentinelles, son signal a été perdu et son tracé cardiaque est plat. Morpheus ne peut y croire et s'enfonce dans le désespoir. Seule Trinity n'a plus peur.
L'Oracle lui a prédit que l'homme dont elle tomberait amoureuse serait l'Elu. Or, elle est tombée amoureuse de Néo, aussi il ne peut pas mourir. Elle l'embrasse et aussitôt, son coeur se remet à battre.

Dans la Matrice, Néo se relève et parvient à stopper les balles des agents. Il peut désormais modeler la Matrice à sa guise. Il détruit Smith et met en fuite ses acolytes.

Il est ramené au vaisseau et les sentinelles qui l'assaillaient sont détruites.

Désormais, les choses vont changer...