2035年，隨著突破點被摧毀，怪獸戰役也隨之終結。史塔克·潘達考斯特元帥之子傑克·潘達考斯特，曾在戰役中喪父，卻因行為不端被逐出機甲獵人學院。流落洛杉磯後，他靠偷取機甲獵人零件並賣到黑市為生。直到他與15歲天才少女艾瑪拉·納馬尼爭奪一個機甲獵人的動力核心時，兩人被「環太平洋防衛軍」（PPDC）的巡邏型機甲獵人「十一月亞賈克斯」抓獲，並連同艾瑪拉自製的機甲「小拳王」一起被扣押。
與傑克一同長大的森真子，曾被史塔克元帥收留，如今已成為防衛軍秘書長，給予傑克一次重新入伍的機會，並將他與天才機械師艾瑪拉一同送到中國的莫玉蘭訓練基地。
到達基地後，傑克與艾瑪拉見識了四架最新型機甲，並遇到傑克在訓練時期的老朋友奈特·藍伯和朱爾絲·雷耶斯。傑克開始訓練艾瑪拉與其他新學員，並從奈特和森真子口中得知，機甲獵人計劃正面臨邵氏工業開發的無人機甲計劃的挑戰，該計劃由董事長邵立雯和怪獸科學家紐頓·蓋茲勒監督大量生產。森真子對此技術感到憂慮，認為可能會被黑客入侵或濫用，打算在即將舉行的雪梨峰會上反對這項計劃。
然而，峰會當天，一架由不明人士操控的機甲「黑剎」突然襲擊現場，將森真子乘坐的直升機擊落。傑克與奈特駕駛第六代機甲「吉普賽復仇者」未能及時救下森真子，眼睜睜看著她墜機身亡。森真子的死亡促使委員會批准了無人機甲計劃，並下令在48小時內完成所有無人機甲的部署。
傑克和奈特根據森真子留下的線索，前往西伯利亞的一座廢棄機甲生產基地調查，但途中再次遭到「黑剎」伏擊。雖然他們成功擊敗黑剎，卻發現機甲內並無人類駕駛，反而由怪獸的次級大腦操控。眾人對此感到困惑，而赫曼·葛里布博士檢驗後確認，這顆大腦竟是來自地球。
艾瑪拉不顧命令，帶領朋友探查黑剎機甲內部，發現其設計來自邵氏工業。這一行動導致一名學員受傷，艾瑪拉因此面臨被逐出基地的危險。傑克得知她的發現後，開始懷疑這一切都是邵立雯的陰謀。無人機甲計劃隨後啟動，但這些機甲開始異變，體內長出怪獸組織，並攻擊各地防衛軍基地，摧毀了多數普通機甲。
赫曼找到邵氏工業時，發現紐頓才是真正的幕後黑手。十年前，他因與怪獸神經連結上癮，成為了怪獸創造者「先驅」的傀儡，幫助牠們打開突破點讓怪獸再次入侵地球。雖然邵立雯最終阻止了無人機甲全面開啟突破點，但仍有三隻強大怪獸「雷神」、「白蛇」和「伯勞刺」成功入侵。
莫玉蘭基地也遭到怪獸襲擊，領袖泉元帥陣亡。赫曼和邵立雯推測，這三隻怪獸正計劃登陸東京，爬上富士山以其藍血引發環太平洋火山帶爆發，從而滅絕人類。基地僅存的四架機甲——鎧甲鳳凰、軍刀雅典娜、守護者布拉沃和吉普賽復仇者，必須在最短時間內修復，傑克擔任領隊，帶領艾瑪拉和學員們準備迎戰。
由於無法通過空運，赫曼設計了一種利用怪獸藍血作為燃料的火箭推進器，讓機甲及時趕到東京對抗怪獸。雖然最終合體成「巨獸」的三隻怪獸強大無比，但傑克和艾瑪拉駕駛的吉普賽復仇者，在小拳王機甲的助攻下，通過自由落體衝擊成功消滅了巨獸。
紐頓被抓，聲稱先驅的襲擊還未結束。然而，傑克走進他的牢房，表示這次人類將主動出擊，找到先驅並徹底終結這場戰爭。
