Dois anos após os eventos do primeiro filme, M3GAN 2.0 acompanha a terrível, demoníaca e dançante boneca assassina e sua criadora Gemma (Allison Williams) que, agora, tornou-se uma autora de sucesso e luta a favor da supervisão e controle governamental da Inteligência Artificial. Quem não aprova em nada essa nova atitude de Gemma é sua sobrinha de 14 anos Cady (Violet McGraw) que decide se rebelar contra as regras superprotetoras da tia. Enquanto isso, um poderoso empresário rouba a tecnologia do protótipo da boneca Megan com o objetivo perverso de construir uma potencial arma militar letal chamada Amelia (Ivanna Sakhno), uma espiã altamente treinada e sem limites. Rapidamente, porém, Amelia ganha uma autoconsciência poderosa e decididamente começa a se rebelar contra as ordens e vontades humanas, tornando-se um perigo cada vez maior de aniquilação.