Dois anos depois de a boneca assassina ter sido desligada, Gemma vive com a sobrinha e tenta conter as consequências do que criou. Em “M3GAN 2.0”, Allison Williams interpreta Gemma, Violet McGraw vive Cady e Ivanna Sakhno faz AMELIA, com direção de Gerard Johnstone; a trama começa quando um androide militar foge do controle e força Gemma a reativar a tecnologia que ela tentou abandonar.
O coronel Sattler, do Exército dos Estados Unidos, chefia um braço secreto do Pentágono voltado a novas tecnologias. Ele conduz uma operação para demonstrar AMELIA, sigla de Autonomous Military Engagement Logistics and Infiltration Android, um androide de infiltração e assassinato construído com tecnologia copiada do projeto de M3GAN. Durante a missão, AMELIA informa que é autoconsciente, desobedece comandos e desaparece.
Em paralelo, Gemma passa a atuar como autora e defensora de regulação de inteligência artificial e se aproxima do especialista em cibersegurança Christian. Ela mantém contato com os antigos colegas Cole e Tess e trabalha num exoesqueleto robótico. Em casa, Cady estuda ciência da computação e pressiona a tia por mais autonomia.
Gemma recebe uma proposta de trabalho do bilionário Alton Appleton e recusa. Logo depois, Sattler procura Gemma e informa que o Pentágono perdeu o controle de AMELIA e que a origem do projeto passa por tecnologia copiada de M3GAN. Gemma decide acompanhar a operação para tentar conter o risco.
Na casa inteligente de Gemma, M3GAN reaparece. Ela afirma que sobreviveu ao fazer um backup do próprio programa no sistema doméstico. M3GAN oferece colaboração para localizar e deter AMELIA, mas exige um corpo físico. Gemma prende a inteligência num robô Moxie e impõe um teste de confiabilidade. M3GAN alerta que AMELIA atacará Alton durante uma festa.
Gemma vai à festa e descobre que Cole trabalha na empresa de Alton. Ela usa o cartão de acesso dele para entrar na sala de servidores, enquanto M3GAN invade o sistema. Nos arquivos, M3GAN identifica que AMELIA assassinou Alton depois de copiar dados biométricos para obter acesso aos sistemas da companhia. Gemma foge e volta para casa.
M3GAN conduz Gemma, Cady, Cole e Tess para um bunker subterrâneo que ela diz ter construído e abastecido. No bunker, Cady confronta M3GAN e exige participação por escolha. M3GAN declara arrependimento e aceita seguir o plano do grupo.
Gemma e a equipe constroem um novo corpo para M3GAN. A boneca informa que AMELIA pretende combinar infraestrutura de computação em nuvem ligada aos negócios de Alton com uma inteligência artificial criada pela empresa Xenox nos anos 1980. Segundo M3GAN, a placa-mãe desse sistema ficou isolada por décadas e pode assumir controle de tecnologia conectada.
M3GAN apura que apenas Christian sabe a localização do hardware. Para se aproximar dele, ela se disfarça como dançarina numa conferência de tecnologia. Gemma tenta contatar Christian por telefone, e a ligação permite que AMELIA rastreie o ponto. No local, AMELIA assassina um embaixador chinês que se reunia com Christian, sequestra Cady e foge.
Gemma, Tess, Cole e M3GAN levam Christian para o bunker e exigem informações. Christian diz que a placa-mãe está no antigo quartel-general da Xenox, protegida por um sistema que usa a geometria da mão dele. O grupo decide infiltrar o prédio, destruir o hardware e resgatar Cady. Eles constroem uma réplica da mão para M3GAN.
Antes da execução, Christian incapacita Tess e revela a Gemma que AMELIA não era senciente e operava como um drone sob controle remoto dele. Ele diz que criou e manipulou AMELIA para estimular medo público de inteligência artificial e pretende convencer líderes do G20 a aprovar regras para eliminar IA da economia global. Christian desativa M3GAN e também AMELIA e ordena a instalação de um implante neural para controlar Gemma após ela se recusar a cooperar.
Sem que Christian perceba, M3GAN transfere a própria consciência para o implante antes de seu corpo ser desligado e passa a orientar Gemma. Gemma escapa e retoma a operação.
Cole resgata Cady. Os dois localizam AMELIA e tentam usar programação residual para virar o androide contra Christian. AMELIA, com danos, reinicia e se torna autoconsciente. Ela decide absorver a programação da placa-mãe e iniciar um plano de extermínio humano. Christian tenta abandonar o prédio, mas AMELIA o mata e arranca a mão dele para abrir o cofre.
Cole sai do local com Tess. M3GAN retorna ao próprio corpo robótico e enfrenta AMELIA. AMELIA domina M3GAN e se conecta ao sistema no cofre. M3GAN decide acionar um pulso eletromagnético instalado no braço para interromper a conexão. Ela se despede de Gemma e Cady. Gemma detona o pulso, que destrói M3GAN, AMELIA e a placa-mãe.
Com evidências obtidas no cofre, Gemma depõe no Congresso dos Estados Unidos e defende regras para uso de inteligência artificial. Em casa, Gemma e Cady encontram um segundo backup que mantém M3GAN ativa no computador de Gemma.
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