Der Film spielt im Jahr 2415. Der Großteil der Menschheit wurde im Jahr 2011 von einer heimtückischen Seuche getötet. Die fünf Millionen Überlebenden verbringen ihr Leben in der letzten verbliebenen, von einer Mauer umgebenen Stadt Bregna, die von einem Rat von Wissenschaftlern kontrolliert und regiert wird. Was die Bürger allerdings nicht wissen: Als Nebeneffekt des Heilmittels gegen die Seuche sind die Überlebenden unfruchtbar geworden. Stirbt jetzt ein Mitglied der Gesellschaft, wird es geklont. Die zum Klonen benötigte DNA befindet sich in dem Luftschiff Relical, das über der Stadt schwebt.

Æon Flux, Agentin der Untergrundbewegung „Die Monicans“, soll den Regierungschef Trevor Goodchild töten. Noch vor Ausführung der Tat entdeckt sie, dass nicht alles so ist, wie es scheint. Plötzlich steht sie zwischen den Fronten und entdeckt, dass sie den Auftrag nicht mehr zu Ende führen kann, ohne großen Schaden zu verursachen. Auch hat sie plötzlich starke Gefühle für Trevor und eine ihr unerklärliche Erinnerung an ihn, was die Situation weiter verkompliziert.

Im Laufe der Geschichte findet sie heraus, dass sie selbst ein Klon von Trevors Ehefrau Katherine ist, die Bewohner der Stadt inzwischen wieder fruchtbar werden und somit eine normale Fortpflanzung möglich ist. Oren Goodchild, Bruder des Regierungschefs, versucht dies allerdings zu verhindern und die rein auf Klonen basierende Gesellschaft zu erhalten. Er hat auch Experimente Trevors, der ein Heilmittel gegen die Sterilität suchte, sabotiert. Æon Flux tötet schließlich Oren, zerstört das Relical und öffnet dabei die Mauer zum Dschungel außerhalb der Stadt.