La película está protagonizada por Scarlett Johansson, Michael Pitt, Pilou Asbæk, Chin Han y Juliette Binoche.

En un futuro próximo, los seres humanos se verán reforzados con mejoras cibernéticas en rasgos como la visión, la fuerza y la inteligencia.

Ouelet (Juliette Binoche), el director ejecutivo de Hanka Robotics, Cutter (Peter Ferdinando), decide utilizar a Killian como agente antiterrorista.

Un año después, Killian ha alcanzado el rango de Mayor en la Sección 9 de la oficina antiterrorista, trabajando junto a los operativos Batou (Pilou Asbæk) y Togusa (Chin Han) bajo el mando del Jefe Daisuke Aramaki (Takeshi Kitano).

En el laboratorio, descubren que la geisha fue pirateada por una entidad desconocida conocida como Kuze (Michael Pitt), Killian rompe el protocolo y "se sumerge" en su IA en busca de respuestas.

Killian es capturado y Kuze se comunica nuevamente con ella, le revela que él es un sujeto de prueba fallido de Hanka del mismo proyecto que creó a Killian.

Motivada por la revelación de Kuze, Killian se enfrenta a Ouelet, quien admite que 98 sujetos de prueba murieron antes que Killian, y sus recuerdos están implantados por falsos recuerdos.

Cutter ha decidido que Killian es una responsabilidad, se convierte en un problema, está fuera de control y el proyecto ha fracasado.

Le informa a Aramaki y al equipo que Killian debe ser eliminado, pero Aramaki en defensa propia, le advierte a Cutter que si la elimina, la Sección 9 se podría desmoronar y dejaría de existir.

Batou, Togusa y Aramaki eliminan a los hombres de Cutter que intentan tenderles una emboscada para asesinarlos en la calle, mientras que Killian sigue sus recuerdos al escondite donde Motoko fue vista por última vez junto a Hideo (Andrew Morris).

En 2008, DreamWorks (que había distribuido en Estados Unidos a través de su división Go Fish Pictures la película Ghost in the Shell 2: Innocence) y Steven Spielberg adquirieron los derechos para producir una adaptación cinematográfica live action del manga original.

Avi Arad y Steven Paul fueron posteriormente confirmados como productores, con Jamie Moss para escribir el guion.

[11]​ En octubre de 2009, se anunció que Laeta Kalogridis reemplazaría Moss como escritor.

[21]​ En abril de 2016, se anunció el reparto completo, que incluyó a Juliette Binoche, Chin Han, Lasarus Ratuere y Kaori Momoi.

[29]​ Paramount declaró que las pruebas duraron poco y no involucraron a Johansson.