《黑客帝國》講述了一名年輕的網絡黑客尼奧發現看似正常的現實世界實際上是由一個名為“矩陣”的計算機人工智能系統控制的，尼奧在一名神秘女郎崔妮蒂的引導下見到了黑客組織的首領墨菲斯，三人走上了抗爭矩陣征途的故事。
托馬斯·安德森表面上是個朝九晚五的電腦工程師，私下卻是個代碼為尼奧（Neo）的高超駭客。尼奧總覺得自己身處的世界存在難以言喻的不協調感，在他私下追查的結果，知道了這一切都跟被稱作“矩陣（The Matrix）”的神秘事物有關。在另一名駭客崔妮蒂（Trinity）引導下，尼奧和傳奇駭客神秘人物墨菲斯（Morpheus）聯繫上，想由他口中得知“矩陣”的真相。
墨菲斯等人把尼奧帶到真實世界，使尼奧得知真實世界已經被電腦機器所佔領統治。為了培養人類當成能量來源，電腦機器模擬1999年的人類世界（現實世界其實已踏入2199年左右）創造出虛擬程序世界“矩陣”，也就是尼奧過往所認識的世界。藉由和人體大腦神經聯結的連接器，使視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺、心理（六根）等訊號傳遞到人類大腦時都彷彿是真實的，以此囚禁人類的心靈。
墨菲斯等人是較早被解放而得以脫離矩陣的一群，他信奉在“矩陣”中可預知未來作出預言的先知（Oracle）。最初從“矩陣”中覺醒並解放其他人類的人被稱作救世主，先知預言墨菲斯將在有生之年找到救世主的轉世，他會再次來到人間並拯救所有被電腦機器所囚的人類。墨菲斯相信這個預言最終找到了尼奧，他認定後者就是轉世的救世主，但尼奧卻對此身份有所懷疑。
尼奧通過與墨菲斯的計算機程序訓練，發現只要看破真相，並堅定相信在虛擬世界中的一切都不是真的，就可將各種模擬真實世界的物理現象如萬有引力、摩擦力的程序加以改變甚至破壞，以此做出各種違揹物理定律的事，例如：一拳把人打飛至十多米遠、跳躍至半空停留七、八秒才落地等，這在“矩陣”中也適用。
尼奧墨菲斯等人再次透過連接器進入“矩陣”拜訪先知，先知告知尼奧“現在的他”並不是救世主。他們返回真實世界的途中，矩陣派出多個以史密斯（Agent Smith）為首的特工追殺。特工有人類的外表且極善於扭曲“矩陣”中的物理現象，是電腦機器創造用來在“矩陣”專門追捕目標的程序，墨菲斯為了保護尼奧而落入了特工之手。
尼奧等人發現原來他們一行人中的塞弗（Cypher）出賣了他們的情報予特工，塞弗搶先回到真實世界後，將仍在“矩陣”的隊友強制拔除連接器逐一殺死，最後卻被沒進入“矩陣”的坦克（Tank）所殺。坦克之後成功喚回尼奧和崔妮蒂，但墨菲斯卻因無法喚回而持續和“矩陣”連線中。
尼奧和崔妮蒂再次連線進入“矩陣”成功救出墨菲斯，在墨菲斯和崔妮蒂回到真實世界後，尼奧卻被攔截到他的史密斯擊斃而呈現彌留狀態。此時真實世界中的崔妮蒂緊依著尼奧和他對話並深深的吻了他，感受到真實世界的深情之後尼奧彷彿頓悟一般地復活，復活後的尼奧對自己“救世主”的身份已無絲毫懷疑，明白到自己可以重寫“矩陣”內程序的能力。尼奧入侵史密斯的程序碼使他被覆寫刪除，史密斯因此爆炸而灰飛煙滅，其他的特工見狀嚇得落荒而逃，尼奧最後也平安返回現實世界。
最後的畫面中，尼奧在“矩陣”內用電話亭向電腦機器通知他將要解放所有人類，之後的故事在黑客帝國2：重裝上陣中繼續發展。
哲學，神學和世俗主義都在《黑客帝國》裡有濃重的表現。諾斯底教派的信徒也會注意到很多相關的主題。
其中有相當多內容涉及印度教、佛教、道教和基督教，並蘊含啟蒙、涅槃、重生的概念。對印度教和佛教的深度涉及包括自由意志對抗命運，還在電影的配樂中使用印度教的頌歌、理念、虛幻（Maya）、因果報應（Karma）和存在論的多種觀點。
《黑客帝國》以很多方式解析真實、過度真實，並闡述人的觀點是實質的、物理的世界才是虛幻。
值得注意的是，《黑客帝國》一片雖然有探討經典哲學問題的意圖，但它們的進行並不十分嚴謹，多半是因為故事的因素而伴隨出現，而敘述的哲學內容也多半是已經被哲學家們討論過。
