Le film se déroule 408 ans dans un futur apocalyptique, après qu'un virus a éliminé quatre-vingt-dix-neuf pour cent de la population de la Terre en 2011. Les survivants de l’espèce humaine habitent dans un refuge à Bregna, une cité-état murée, qui est dirigée par un congrès des scientifiques. Æon Flux est un membre des assassins nommés les 'Monicans', une organisation rebelle clandestine qui communique par télépathie en utilisant des pilules, menée par The Handler. Après une mission pour détruire une station de surveillance, Æon revient à la maison et y trouve sa sœur Una tuée, parce que considérée comme un Monican. Quand Æon est envoyé sur une mission pour tuer le chef du gouvernement, Trevor Goodchild (Marton Csokas), elle découvre qu'elle joue inconsciemment un rôle dans un Coup d'État secret. Cette découverte amène à questionner l'origine et le destin de chacun dans Bregna ; et en particulier, la relation personnelle d’Æon à l'homme qu’elle est chargée d'assassiner. Finalement elle apprend qu'elle est un clone de la défunte épouse Cathryn du Goodchild, et qu'il essaye en fait de sauver l'humanité en créant un traitement contre la maladie ; celle-ci a depuis disparu mais le processus a rendu la population stérile. De fait, chaque enfant nouveau-né dans Bregna est réellement un clone créé avec de l'ADN recyclé : les morts renaissent dans de nouveaux individus avec en eux des fragments de leur mémoire. Une des expériences du Trevor est réussie mais Oren Goodchild (Jonny Lee Miller), le frère du Trevor, a fait cesser la recherche scientifique afin de rester au pouvoir et vivre éternellement. Cependant, lors d'une confrontation avec Trevor et Æon, Oren indique que l'humanité elle-même s'est adaptée et certains individus ont recouvré la capacité d'avoir des bébés. Æon est finalement forcée d’agir contre ses anciens alliés et Oren mais elle parvient à convaincre les Monicans de ne pas écouter The Handler et de s'allier à elle pour tuer Oren et ses hommes. Dans la scène finale, Æon se prépare à détruire l'entrepôt où l'ADN utilisée pour le clonage est stockée; elle aperçoit un dirigeable dans le ciel. Elle rencontre le vieil homme qui surveille l'ADN, en fait le docteur qui a préservé son ADN quand Oren a commandée sa destruction. L'accident suivant casse le mur entourant la ville et pour la première fois depuis des siècles, la population peut gagner le monde extérieur.
Le film incorpore de nombreux éléments des épisodes de la série télévisée, spécialement l'épisode "A Last Time For Everything," aussi bien que Æon Flux: the Herodotus File un roman graphique qui a été basé sur la série.
