《黑客帝国》讲述了一名年轻的网络黑客尼奥发现看似正常的现实世界实际上是由一个名为“矩阵”的计算机人工智能系统控制的，尼奥在一名神秘女郎崔妮蒂的引导下见到了黑客组织的首领墨菲斯，三人走上了抗争矩阵征途的故事。
托马斯·安德森表面上是个朝九晚五的电脑工程师，私下却是个代码为尼奥（Neo）的高超骇客。尼奥总觉得自己身处的世界存在难以言喻的不协调感，在他私下追查的结果，知道了这一切都跟被称作“矩阵（The Matrix）”的神秘事物有关。在另一名骇客崔妮蒂（Trinity）引导下，尼奥和传奇骇客神秘人物墨菲斯（Morpheus）联系上，想由他口中得知“矩阵”的真相。
墨菲斯等人把尼奥带到真实世界，使尼奥得知真实世界已经被电脑机器所占领统治。为了培养人类当成能量来源，电脑机器模拟1999年的人类世界（现实世界其实已踏入2199年左右）创造出虚拟程序世界“矩阵”，也就是尼奥过往所认识的世界。借由和人体大脑神经联结的连接器，使视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉、心理（六根）等讯号传递到人类大脑时都仿佛是真实的，以此囚禁人类的心灵。
墨菲斯等人是较早被解放而得以脱离矩阵的一群，他信奉在“矩阵”中可预知未来作出预言的先知（Oracle）。最初从“矩阵”中觉醒并解放其他人类的人被称作救世主，先知预言墨菲斯将在有生之年找到救世主的转世，他会再次来到人间并拯救所有被电脑机器所囚的人类。墨菲斯相信这个预言最终找到了尼奥，他认定后者就是转世的救世主，但尼奥却对此身份有所怀疑。
尼奥通过与墨菲斯的计算机程序训练，发现只要看破真相，并坚定相信在虚拟世界中的一切都不是真的，就可将各种模拟真实世界的物理现象如万有引力、摩擦力的程序加以改变甚至破坏，以此做出各种违背物理定律的事，例如：一拳把人打飞至十多米远、跳跃至半空停留七、八秒才落地等，这在“矩阵”中也适用。
尼奥墨菲斯等人再次透过连接器进入“矩阵”拜访先知，先知告知尼奥“现在的他”并不是救世主。他们返回真实世界的途中，矩阵派出多个以史密斯（Agent Smith）为首的特工追杀。特工有人类的外表且极善于扭曲“矩阵”中的物理现象，是电脑机器创造用来在“矩阵”专门追捕目标的程序，墨菲斯为了保护尼奥而落入了特工之手。
尼奥等人发现原来他们一行人中的塞弗（Cypher）出卖了他们的情报予特工，塞弗抢先回到真实世界后，将仍在“矩阵”的队友强制拔除连接器逐一杀死，最后却被没进入“矩阵”的坦克（Tank）所杀。坦克之后成功唤回尼奥和崔妮蒂，但墨菲斯却因无法唤回而持续和“矩阵”连线中。
尼奥和崔妮蒂再次连线进入“矩阵”成功救出墨菲斯，在墨菲斯和崔妮蒂回到真实世界后，尼奥却被拦截到他的史密斯击毙而呈现弥留状态。此时真实世界中的崔妮蒂紧依著尼奥和他对话并深深的吻了他，感受到真实世界的深情之后尼奥仿佛顿悟一般地复活，复活后的尼奥对自己“救世主”的身份已无丝毫怀疑，明白到自己可以重写“矩阵”内程序的能力。尼奥入侵史密斯的程序码使他被覆写删除，史密斯因此爆炸而灰飞烟灭，其他的特工见状吓得落荒而逃，尼奥最后也平安返回现实世界。
最后的画面中，尼奥在“矩阵”内用电话亭向电脑机器通知他将要解放所有人类，之后的故事在黑客帝国2：重装上阵中继续发展。
哲学，神学和世俗主义都在《黑客帝国》里有浓重的表现。诺斯底教派的信徒也会注意到很多相关的主题。
其中有相当多内容涉及印度教、佛教、道教和基督教，并蕴含启蒙、涅槃、重生的概念。对印度教和佛教的深度涉及包括自由意志对抗命运，还在电影的配乐中使用印度教的颂歌、理念、虚幻（Maya）、因果报应（Karma）和存在论的多种观点。
《黑客帝国》以很多方式解析真实、过度真实，并阐述人的观点是实质的、物理的世界才是虚幻。
值得注意的是，《黑客帝国》一片虽然有探讨经典哲学问题的意图，但它们的进行并不十分严谨，多半是因为故事的因素而伴随出现，而叙述的哲学内容也多半是已经被哲学家们讨论过。
