《机器之血》的故事始于2007年，Dr. James在半岛军火商的资助下秘密进行生化人研究。然而实验过程中，生化人安德烈因基因突变失控，残忍杀害了军火商并接管了整个组织。Dr. James侥幸逃脱后寻求警方庇护，特工林东（成龙饰）被迫抛下生命垂危的女儿西西，承担起保护证人的重任。 　　十三年后，一本科幻小说《机器之血》的出版引发轩然大波。书中内容意外引出了潜伏多年的黑衣生化人组织、神秘黑客李森（罗志祥饰），以及隐姓埋名的林东。三方势力同时盯上了看似普通的女孩Nancy（欧阳娜娜饰），试图夺取她身上隐藏的秘密。随着调查深入，林东发现Nancy竟与自己失散多年的女儿西西有着神秘联系。 　　幕后黑手安德烈在多次交锋后终于掳走Nancy，林东与李森不得不联手深入敌营。然而在生死关头，李森的真实身份曝光——他竟是当年被害半岛军火商之子，手中更握有生化人实验的关键数据。面对亲情与使命的抉择，林东必须在拯救女儿与阻止生化人阴谋之间做出艰难选择，而李森的复仇计划也让局势更加扑朔迷离……