Le prime due parti di gioco seguono i rispettivi punti di vista di 2B e 9S durante un'invasione iniziale. Dopo aver aperto una via per future missioni, vengono inviati a eliminare le minacce delle macchine per la Resistenza, guidata da Anemone, che fornisce loro supporto. Durante le loro missioni, 2B e 9S scoprono che le macchine stanno esplorando le società umane e i concetti. I due collaborano con un gruppo di macchine pacifiste guidato da Pascal; combattono Adam ed Eve, manifestazioni fisiche della rete delle macchine che rivelano che i loro creatori furono distrutti secoli fa e incontrano A2, un'androide fuorilegge in fuga da YoRHa. Adam viene ucciso da 2B dopo aver catturato 9S. Durante la sua guarigione, 9S scopre un glitch nei server di YoRHa quando si sincronizza con 2B, e apprende che l'umanità era estinta molto prima dell'invasione aliena. Il loro ultimo residuo è un server basato sulla Luna che contiene i resti incompleti del genoma umano. YoRHa perpetua il mito della loro sopravvivenza per mantenere alto il morale e dare agli androidi un 'dio' per cui combattere. Con la morte di Adam, Eve impazzisce per il dolore e trascina le macchine sotto il suo comando in una frenesia. 2B e 9S uccidono Eve per porre fine alla furia, ma 9S viene infettato dal virus logico di Eve, costringendo 2B a ucciderlo. Tuttavia, la coscienza di 9S sopravvive all'interno della rete locale delle macchine. La terza partita inizia mentre YoRHa lancia un'invasione su vasta scala. Un attacco di virus logico, reso possibile dal 'glitch' che 9S aveva precedentemente scoperto, compromette ogni unità di YoRHa, comprese quelle nel Bunker, ad eccezione di 2B e del 9S ripristinato. 2B e 9S si separano nel caos che segue, e 2B è infettata dal virus logico. Scoperta da A2, 2B carica i suoi ricordi nella sua spada e le chiede di prendersi cura di 9S. Un 9S ingenuo assiste ad A2 che uccide pietosamente 2B e giura vendetta contro di lei. Contemporaneamente, una torre creata dalle macchine sorge dalla terra, separando i due prima che possano combattere. La prospettiva si divide tra A2 e 9S due settimane dopo questi eventi. A2 — la sopravvissuta a una prova di YoRHa — si ritrova a empatizzare con le macchine; assiste alla distruzione del villaggio di Pascal, poi i suoi 'figli' si suicidano per paura quando attaccati. Pascal supplica A2 di cancellare la sua memoria o di ucciderlo; A2 può compiere entrambe le azioni o lasciarlo. Un 9S sempre più instabile indaga sulle piattaforme di raccolta risorse della torre, combattendo resti di macchine e apprendendo che la torre è progettata per lanciare un missile contro il server della Luna. Entrambi alla fine entrano nella torre, con Devola e Popola che si sacrificano per aprirla.