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. Le jour où sa section retrouve la trace d'un hacker mystérieux et légendaire, la jeune femme se met en tête de pénétrer le corps de celui-ci et d'en analyser le ghost (élément indéfinissable de la conscience, apparenté à l'âme) dans l'espoir d'y trouver les réponses à ses propres questions existentielles.

Note: Le film a été mis à jour avec un nouveau montage sonore et une animation 3D actualisé dans Ghost in the Shell 2.0, sorti en 2008 au Japon.