Dans un Japon futuriste régi par l'Internet, le major Motoko Kusunagi, une femme cyborg ultra-perfectionnée, est hantée par des interrogations ontologiques. Elle appartient, malgré elle, à une cyber-police musclée dotée de moyens quasi-illimités pour lutter contre le crime informatique.
Batou est un cyborg vivant. Son corps entier a été fabriqué par l'homme. Seules lui restent des bribes de son cerveau et le souvenir d'une femme. Voici la débauche du "fantôme" d'un homme solitaire qui néanmoins cherche à conserver son humanité.
En l'an 2002, devant la prolifération des robots Labor, une escouade Patlabor est créée afin d'empêcher l'utilisation de cette technologie par des criminels. La destruction, en Asie du Sud-Est, d'une équipe de Labor, est la déclaration d'une guerre terroriste mondiale.
Dans un futur indéterminé, une nouvelle unité de police, les Patlabor, utilise des robots géants pour faire régner l'ordre. Mais des pannes inexpliquées perturbent les machines.