Nel 1989 Kevin Flynn, grande creatore di videogiochi e ormai presidente della società informatica ENCOM, sogna un mondo dove l'informatica e le persone possano unirsi per creare una società utopica, ispirando con le sue parole anche il giovane figlio Sam. Una notte Kevin Flynn, all'apice del successo, scompare nel nulla lasciando il figlio orfano con la sola custodia dei nonni paterni. Vent'anni dopo, Sam Flynn è divenuto un trafficante informatico che ruba i progetti della società del padre (ormai sua) e li distribuisce gratuitamente nella rete, contro il volere dell'avido consiglio d'amministrazione. La notte successiva al furto del nuovo sistema operativo della ENCOM, Alan Bradley, un vecchio collaboratore di Kevin Flynn va a fare visita a Sam, annunciandogli che ha ricevuto una misteriosa telefonata dal vecchio ufficio del padre, una sala giochi.
Prima cinico ma poi sempre più spinto dal desiderio di rivedere suo padre, Sam si reca alla sala giochi, scoprendo un laboratorio segreto con una console ancora attiva. Tentando di comunicare col computer, un raggio di luce smaterializza il ragazzo trasportandolo all'interno di un mondo totalmente digitale, copia in parte di quello reale, un mondo chiamato dai suoi stessi abitanti "La Rete". Catturato da delle guardie che lo identificano come un programma senza nome, Sam viene trasportato in un'arena di gioco nel quale dovrà sopravvivere a dei giochi mortali consistenti nel Lancio del Disco. Il ragazzo scopre inoltre che ogni abitante della Rete è provvisto di un disco-arma nel quale sono memorizzati tutti i propri dati e il perderlo significa la propria cancellazione dal sistema. Affermando di essere un Creativo (cioè un programmatore umano) e non una macchina, Sam viene risparmiato e portato al cospetto di Clu, l'alter ego digitale sempre giovane di suo padre Kevin, scomparso venti anni prima, che però afferma di volerlo distruggere invece che salvarlo. Sfidato in una terribile gara con le moto di luce, Sam viene salvato da un programma ribelle, Quorra, che lo porta oltre la griglia, nel luogo in cui è confinato il vero Kevin Flynn. Dopo essersi ricongiunto col padre, Sam scopre che Clu si è ribellato al suo creatore per via delle ISO, dei programmi dotati di un DNA digitale e per questo speciali.
Visti come un'imperfezione da Clu, le ISO vengono sterminate e Kevin Flynn viene confinato dentro il mondo digitale dal suo malvagio alter ego. Nel salvare Flynn dal suo destino, perì anche il suo amico Tron, con cui insieme anni prima aveva liberato la rete dal Master Control Program. Il passaggio di Sam dal mondo reale a quello della Rete ha riaperto il portale che collegava i due mondi, cosa che potrebbe permettere a lui e al padre di tornare indietro dopo tanto tempo. Inoltre Sam scopre che il messaggio arrivato nel mondo reale era di Clu e non del padre, cosa che presuppone un piano da parte di Clu per raggiungere il mondo degli umani. Poiché Clu controlla tutta la città della Rete, Sam, sotto consiglio di Quorra, deve trovare Zuse, il capo della resistenza. Arrivato in città sotto mentite spoglie, Sam viene portato al cospetto di Castor, famoso programma padrone del club Linea Interrotta, che si scopre essere lo stesso Zuse. Ma in realtà Castor è uno degli accoliti di Clu e tenta di uccidere Sam, che viene puntualmente salvato da Quorra e dal padre. Durante la fuga dal club, Castor/Zuse sottrae al padre di Sam il suo disco dati, oggetto bramato a lungo da Clu per mettere in piedi il suo piano di conquista. Castor stesso, desideroso di controllare la città, viene tradito da Clu che lo distrugge insieme al suo Club.
Nel contempo Kevin, Sam e Quorra salgono su un veliero solare per raggiungere il portale per il mondo reale. Durante il tragitto Sam viene a scoprire che Quorra è l'ultima delle ISO e per questo deve sopravvivere a tutti i costi. Prima di uscire dalla Rete, i tre vengono intercettati da Clu, intenzionato più che mai a voler lui stesso varcare il portale grazie al disco dati di Kevin Flynn e conquistare il mondo per renderlo perfetto proprio come all'interno della Rete. Nella nave di Clu, Kevin e suo figlio scoprono che Tron è ancora vivo ed è stato riprogrammato da Clu. Con molta difficoltà Sam ruba il disco dati del padre e insieme agli altri due scappa con un jet, venendo inseguiti dallo stesso Clu e da Tron. Prima di essere sconfitti dall'esercito, Clu viene tradito da Tron e precipita nell'abisso, ma riesce comunque a salvarsi. Arrivati al portale Clu, tenterà ancora una volta di ostacolare il trio, ma Sam e Quorra con l'inganno riescono a scappare e portare con loro il disco dati di Kevin nel mondo reale. A quel punto Kevin Flynn si ricongiunge con Clu e annulla tutta la Rete. Tornato nel mondo reale, Sam salva i dati del padre su un supporto più sicuro e poi, insieme a Quorra, esplora le vie della città per far vedere alla ISO come è il mondo degli umani.
