婚約者の黎士（木村拓哉）を突然失ったショックから衝動的に地下鉄のホームで電車に飛び込んでしまった麻陽（柴咲コウ）だったが、間一髪のところで黎士に瓜二つの謎の男・ロイド（木村拓哉／２役）に救出される。麻陽は黎士の死とロイドの出現に心の整理が追いつかないまま自分を心配して探しに来た部下の星（桐谷健太）と共に会社に戻るが、そんな麻陽の元に早くも新たな暗殺者・キュリー（柿澤勇人）が麻陽の命を狙って会社に侵入して来る。社内の警報アラームにより不正侵入者の存在に気付いた麻陽はその侵入者が自分を襲ったラプラスと同様の暗殺者だと察する。麻陽は自分の元をちょうど訪ねて来ていた七瀬（大島優子）の身にも危険が及ぶと懸念し、七瀬を引き留めようとするが、時既に遅く、キュリーが二人に襲い掛かってくる。同じ頃、地下鉄のホームでは麻陽が電車に飛び込んだ姿を目撃していた刑事の葦母（遠藤憲一）が現場検証にあたっていた。目撃情報はあるものの死体が見つからず、捜査は混乱。結局ホーム天井の一部が落下しての事故と結論付けられたが、1日のうちに2度も殺されかけた麻陽の姿を目撃した葦母は、麻陽に何か裏があると感じる。一方、麻陽をラプラスの攻撃と飛び込んだ電車から救出したロイドはサプリ（本田翼）の手当てを受け傷ついた体の回復に努めていたが、そんなロイドにもキュリーと共に放たれた暗殺者・バルス（柿澤勇人／二役）が襲い掛かる。

刑事の葦母（遠藤憲一）の尋問がきっかけとなり、周囲にロイド（木村拓哉）を黎士（木村拓哉／二役）だと偽ることになってしまった麻陽（柴咲コウ）。だが、黎士の妹・七瀬（大島優子）にだけはどうしても嘘を突き通せないと麻陽はロイドのことを話してしまう。そんな麻陽にロイドは「（自分の秘密を知った）七瀬を殺す！」と言い放ち、麻陽の前から姿を消してしまう。七瀬の身を案じた麻陽がすぐさま東京帝國大学に駆けつけると、案の定、ロイドは七瀬を抹殺すべくすでに構内に侵入し、七瀬に襲い掛かろうとしていた。その一方で麻陽とロイドは一つ屋根の下、一緒に暮らすことになり二人の奇妙な生活が始まる。充電に莫大な電力を費やすロイドに家中の電力を独占され、麻陽は日常生活に支障をきたし、ロイドの存在に苛立ってくる。麻陽は文句を言っても取り合わないロイドを破壊しようと襲い掛かるが、警察に踏み込まれ、婚約者へのDV容疑で警察へ連行されてしまい…。

自分の命を狙い次々と襲い掛かってくる暗殺者を淡々と殺していくロイド（木村拓哉）の姿に複雑な思いを抱く麻陽（柴咲コウ）。そんな麻陽の元に、黎士（木村拓哉／二役）のパソコンを解析していた七瀬（大島優子）から、黎士のメール履歴に100年先の誰かとやり取りしていたメールを見つけたとの連絡が入る。七瀬は送信主も中身もまだ解明出来ないが、黎士の唱えていた理論では100年先とのやり取りも可能だと麻陽に話す。そんな中、麻陽は黎士の親友で同じく次元物理学者の桐生貴志（藤本隆宏）がアメリカで行方不明になっているとのニュースを耳にする。もしや桐生も殺人スケジュールの標的なのではと麻陽が懸念した矢先、なんと行方不明のはずの桐生が突然麻陽とロイドの元に現れる。麻陽は自分たちとの再会を喜ぶ桐生に黎士を装うロイドのことを気付かれはしないかと心配する。そんな矢先、桐生も何者かに襲われてしまう。一方、麻陽と黎士を装うロイドの周辺を嗅ぎ回っていた刑事の葦母（遠藤憲一）は刑務所から出所した顔見知りのテロリスト・川島（津村知与支）に会い…。

親友だった暗殺者・ナビエ（藤本隆宏）との攻防を終えたロイド（木村拓哉）と麻陽（柴咲コウ）は、互いに消してはならない大切な記憶を抱えていることに共感し合う。そしてそんな二人の心の変化は奇妙な共同生活にも徐々に変化をもたらし、麻陽は親しみを込めて”ロイド”と呼び始める。そんな中、いつも通り会社に出社した麻陽は既に出勤していた部下の星（桐谷健太）から重傷を負って搬送されていた左京子（山口紗弥加）の父で刑事の葦母（遠藤憲一）が一命を取り留めたとの報告を受ける。だが、その報告と同時に麻陽は星から黎士の事故後の行動に関する矛盾点を指摘され、星が麻陽と黎士（木村拓哉／二役）を装うロイドの秘密に迫っていることも匂わされる。麻陽は星の身を案じ、これ以上自分の身辺を嗅ぎ回らないよう強く忠告するが、星は自分と同じように麻陽の身辺を探る葦母と接触を図る。一方、ロイドは黎士として大学の教壇に立ち講義を行うが、講義後、自分の体が徐々に異常をきたし始めていることを悟る。ロイドはサプライヤーのサプリ（本田翼）を呼び出し、修理を促すが、修復する為には初期化して記憶を全て消すしかないと言われ…。

自分たちのために命を落としたサプリ（本田翼）に思いを馳せるロイド（木村拓哉）と麻陽（柴咲コウ）。そんな二人のもとに麻陽の母・景子（名取裕子）が突然電話をかけてくる。景子は最近受けた健康診断で胸に白い影が見つかったと麻陽に報告。驚く麻陽に余命幾ばくもないようなので、延期している黎士との結婚式を近日中にして欲しいと言い出す。当然、麻陽は無理だと即答するが、景子からとりあえず家族写真を撮るだけでもいいので花嫁姿を見せ欲しいと強引に押し切られてしまう。麻陽は仕方なくロイドに黎士（木村拓哉／二役）のふりをして一緒に結婚写真を撮るよう頼み…。一方、相棒の冨野（日野陽仁）を殺害された刑事の葦母（遠藤憲一）は麻陽の部下で、自分と同じようにロイドの存在と麻陽の周辺を嗅ぎ回る星（桐谷健太）を仲間に引き入れ、執拗に麻陽とロイドへの監視を強めていく。ロイドはそんな葦母の存在に気付き、葦母を抹殺しようとする…。その後、ロイドの態度を七瀬（大島優子）に報告した麻陽は、七瀬から“ロイドが黎士に嫉妬している”と指摘され…。

自らの意思で麻陽（柴咲コウ）を護るために戦い始めたロイド（木村拓哉）は対峙した刑事の葦母（遠藤憲一）から撃たれて負傷した体で、麻陽に襲い掛かった暗殺者・フレミングを抹殺。そのためにロイドは内蔵システムに致命的なダメージを受け、麻陽の目の前で動かなくなってしまう。微動だにしないロイドの姿に麻陽は愕然とするが、そこへ葦母が現れ、ロイドを麻陽のマンションまで運ぶ手助けをしてくれる。葦母の行動に戸惑う麻陽だったが、黎士（木村拓哉／二役）の妹・七瀬（大島優子）ならロイドを修理する手立てが見出せるのではと考え、七瀬に連絡をするが冷たくあしらわれてしまう。すると葦母は、麻陽の部下で自分と一緒にロイドの周辺を調べていた星（桐谷健太）なら修理できるかもしれないと言い、マンションを後にする。一方、葦母から連絡を受けた星は、公安上層部の幹谷（鶴見辰吾）らと面会。星は幹谷から、“ARX II-13（ロイド）は未来に大きな災いをもたらす”と説明を受け、さらに“修理をするフリをしてロイドを抹殺して欲しい”と頼まれる。そして、葦母に頼まれたとやってきた星を麻陽はロイドのいる部屋に星を招き入れ…。

動かなくなってしまったロイド（木村拓哉）を自宅に匿っていた麻陽（柴咲コウ）は、暗殺者のケプラ（伊達暁）とメンデル（谷田歩）に操られた公安部の差し金でSIT（特殊犯捜査係）に自宅を強行突入されそうになったが、間一髪のところで意識を取り戻したロイドに救われた。麻陽はロイドが内蔵システムを回復し、意識を取り戻したことに喜ぶが、その喜びも束の間、ロイドは麻陽と過ごしたこれまでの記憶を全て失い、自分がロイドという名で呼ばれていたことも忘れてしまっていた。出会った当初のように麻陽を護る任務だけを遂行しようとするロイド。それでも麻陽は、今までの記憶がロイドの内部のどこかに眠っているだけだと信じ、刑事の葦母（遠藤憲一）や麻陽の部下の星（桐谷健太）と共に、ロイドの記憶が戻る方法を探す。早速、葦母と星は麻陽のマンションにある黎士（木村拓哉／二役）のパソコンにロイドの記憶を戻す手がかりがあるのではと調べ始める。一方、麻陽は何か手助けをしてもらえないか相談しようと七瀬（大島優子）の元を訪れる。沫嶋研究室を訪れた麻陽はいつもと変わらぬ様子で七瀬に迎えられたのだが、二人で昔の黎士のスナップ写真を見ているうちに突然、七瀬の態度が豹変し…。

解離性同一性障害（多重人格障害）で入院を余儀なくされた黎士の妹・七瀬（大島優子）。病室に現れた謎の美少女にそそのかされ、“レイコ”という凶暴な別人格に体を乗っ取られてしまった七瀬は担当医師や看護師たちに暴行し、入院先から逃亡してしまう。病院から七瀬の逃亡の連絡を受けた麻陽（柴咲コウ）は、ロイド（木村拓哉）や沫嶋研究室の助手の斗夢（ジェシー）、薫（山本美月）、倉田（池田大）らと共に手分けして七瀬を探す。しかし、そんな麻陽にまたしても暗殺者のケプラ（伊達暁）とメンデル（谷田歩）が襲い掛かる。麻陽を護るため今までと同様に戦闘モードOSの“アスラシステム”を起動させて戦うロイド。だが、ケプラとメンデルは以前よりアップグレードされており、ロイドは2人を倒すどころか逆に重傷を負わされて、“アスラシステム”が限界に達してしまう。麻陽と共にマンションに戻ったロイドはすぐにサプライヤーのサプリ（本田翼）から修理を受けるが、ロイドは“アスラシステム”を起動させる最後の注射器（液体状の分子タスクコマンド）をケプラ＆メンデルとの戦いで既に使い切ってしまい、次の戦闘が難しい状況に陥る。一方、沫嶋研究室では3人の助手たちが七瀬の行方を突き止めるため、手がかりを得ようと七瀬のパソコンを調べ始めるが…。

未来からのポリスクラウドのアンドロイドたちを操り、更には現代の公安上層部や政治家たちをも翻弄して自らの野望を実現しようと目論む謎の美少女こと“ARX IX − THE LAST QUEEN”（桐谷美玲／以降LQ）。沫嶋黎士（木村拓哉）の妹・七瀬（大島優子）の凶悪な別人格“沫嶋黎子”が生み出したとされるLQはついに自ら牙を剥き、安堂麻陽（柴咲コウ）の味方である七瀬、葦母（遠藤憲一）、星（桐谷健太）らを立て続けに襲撃。そんなLQの野望を阻止すべく、ロイド（木村拓哉／二役）はLQに戦いを挑む。ロイドより全ての能力が上回るとされる最強のアンドロイドLQを相手に戦闘OS“アスラシステム”を起動させる術を失ったロイドはどう戦いを挑んでいくのか…。麻陽をはじめサプリ（本田翼）、角城（平岡祐太）ら仲間の想いを胸にロイドの最後の戦いが幕を開ける！果たしてロイドは麻陽を護り抜くことは出来るのか…。

100年後の未来から愛する人・麻陽を護るため己の身を挺した沫嶋黎士の想いは叶うのか。そしてそんな黎士を今でも愛し続け、そしてロイドにも愛しさを抱く麻陽を待ち受ける未来とは…。