Действие фильма разворачивается в 2046 году на Марсе. На красную планету прибывает полицейский Росс Саллибус из чикагского департамента полиции, чтобы расследовать громкое убийство. На Марсе обитают не только люди, но и высокотехнологичные андроиды, отличить которых от человека крайне сложно. Но тем не менее на планете царит враждебная атмосфера и нетерпимость разных видов существ друг к другу. В местном отделении полиции Россу дают в помощь киборга Наоми Армитаж, вместе с которой ему предстоит расследовать убийства таких же, как и она, женщин-киборгов третьего поколения, которые имеют органическое тело и могут размножаться. «Армитаж: Полиматрица» — японский киберпанк, являющийся продолжением аниме «Армитаж III» 1995 года.