Репликанты — это роботы-гуманоиды, разработанные корпорацией «Тайрелл», которая эксплуатирует их для рабского труда, в основном благодаря их большой прочности и нечеловеческой силы. Некоторые репликанты начали представлять опасность для общества и были сосланы на «обочину» мира. В середине 2020-х годов происходит событие, ознаменованное как «Блэкаут», что приводит к всемирному голоду, так это продолжается до тех пор пока промышленник по имени Ниандер Уоллес (Джаред Лето) не находит решение и предпринимает меры по прекращению опустошения общества. Под управлением Уоллеса запускается производство новой версии репликантов, в то время как некоторые из старых моделей Нексус-8 все еще находятся в активированном состоянии. Тех, кого отправляют на их устранение называют «Бегущие по лезвию».

Калифорния, 2049 год. Детектив-репликант, офицер Кей (Райан Гослинг) едет на ферму, где живет и работает репликант марки Нексус-8 по имени Саппер Мортон (Дейв Батиста). Саппер знает, что Кей прибыл сюда забрать его и отправить на покой. Он выхватывает нож и бросается на Кея. Разгорается схватка, после которой офицер готовится устранить Саппера, когда тот начинает причитать, что знает о том, кем является Кей и что он раньше «никогда не видел чуда». Кей делает свою грязную работу, выходит из дома и докладывает начальнику, Лейтинанту Джоши (Робин Райт), об успехе операции. Затем один из сканнеров Кея обнаруживает коробку, зарытую под деревом во дворе дома Саппера.

Кей проходит посттравматический базовый тест, цель которого определить, что испытуемый не подвергается эмоциональному риску и способен продолжать выполнять свои обязанности без каких-либо осложнений. Успешно пройдя тест, он отправляется к себе домой, в квартиру, которую делит с Джой (Ана де Армас), голографической программой, играющей для Кея роль его девушки. Он дарит ей специальное устройство — эманатор, благодаря которому она может существовать вне помещения и сопровождать своего «хозяина». Они выходят на улицу в дождь, после чего Кей получает сообщение от Джоши касательно содержимого найденной коробки.

Кей возвращается на базу, где Джоши и двое судмедэкспертов анализируют содержимое коробки. Они выясняют, что волосы и кости принадлежат женщине, которая умерла во время родов. Затем, к удивлению Джоши, на костях обнаруживается серийный номер репликанта. Она велит Кею отыскать ребенка репликантов и устранить его, опасаясь за то, что может произойти, если если ребенок попадет не в те руки.

Кей обращается в корпорацию Уоллес за помощью в идентификации репликанта по образцу ДНК. Здесь в центре Кей встречается с помощником Уоллеса, репликантом Лав (Сильвия Хукс). Вместе они воспроизводят записанное сообщение из архива памяти Репликантов. На записи они слышат голос репликанта Рэйчел (Шон Янг), и человек, с которым она говорит, не кто иной, как Рик Декард (Харрисон Форд).

Кей встречает старого партнера Декарда — Гаффа (Эдвард Джеймс Олмос). Гафф говорит, что Рик Декард давно ушел от дел, находясь в уединении, как всегда о том мечтал.

Уоллес создает нового репликанта-женщину и сразу после рождения убивает её. Он уже наслышан о ребенке Рэйчел и его гложет осознание того, что сам он пока не овладел тайной создания репродуктивных женщин-репликантов, чтобы сделать своему бренду мировую известность. Тогда Уоллес посылает Лав по следам Кея.

В городе Репликант по имени Фрейса (Хиам Аббасс) обращает внимание трех девушек-проституток о приближении Кея. Втроем они идут ему навстречу, но он не проявляет заинтересованности. Одна из девушек, Мариетта (Маккензи Дэвис), остается ненадолго поболтать с Кеем.

Лав попадает в криминалистическую лабораторию полицейского участка, чтобы опознать кости Рэйчел. Один из докторов, Коко (Дэвид Дастмалчян), обнаруживает ее, после чего она убивает его, перерезая шею и заставляя его задыхаться от собственной крови.

Кей возвращается на ферму Саппера, где замечает записанную в одном месте дату — 6.10.21. Пробуждается воспоминание об игрушечной деревянной лошадке. Затем он сжигает дом. По возвращению домой он спрашивает об этой дате у Джой, которая говорит, что Кей уже рассказывал ей эту историю. Воспоминания, о которых идет речь, указывают на то, что Кея в мальчишеском возрасте преследовала группа парней из детского дома, которые хотели отобрать игрушечную лошадь. Тогда он бросил игрушку в печь, в результате чего был избит.

Kей летит на свалку с Джой, чтобы найти место — источник своих воспоминаний. Мусорщики прицепляют к машине Кея воздушный змей, который попадает под удар молнии и приводит к обрушению транспортного средства. Мусорщики пытаются атаковать Кея, но ему удается дать отпор и даже убить нескольких. Затем начинают падать ракеты, отправленные Лав, чтобы отвести мусорщиков от Кея. Он идет дальше по двору, чтобы найти группу детей в приюте. Глава приюта, мистер Коттон (Ленни Джеймс), находит Кея и провожает его к печи, где он находит своего игрушечного коня. Та же дата нацарапана на его копыте.

Вернувшись домой, Кей анализирует две записи о рождении, которые он нашел, пока Джой наблюдает  за ним. Когда совпадения найдено, он определяет, что родились близнецы — мальчик и девочка, но выжил только мальчик.

Кей навещает доктора Ану Стеллин (Карла Юри), дизайнера памяти, находящуюся в комнате за стеклянной стеной. Она объясняет Kею, как можно имплантировать воспоминания, что запрещено делать в отношении репликантов. Ана демонстрирует свою работу, создав сценарий с участием детей на вечеринке по случаю дня рождения. Получив эту информацию, Кей склоняется к тому, что воспоминания о игрушечной лошадке — его собственные, и что он может быть сыном Рэйчел.

Kей снова проходит базовый тест, но на этот раз Джоши приостанавливает Кея прежде, чем он успевает солгать об успешном завершении миссии — убить ребенка.

Кей возвращается домой. Джой пригласила в гости проститутку Мариетту, чтобы Джой могла синхронизировать себя её телом, чтобы Кей мог насладиться подлинным экспириенсом с ней. Они спят вместе, после чего она устанавливает устройство слежения в его куртку.

Лав находит Джоши в ее офисе и расспрашивает о местонахождении Кея. Джоши наливает себе выпивку, но Лав разбивает бокал в руке Джоши. Джоши ни говорит ни слова, она знает, что вот-вот должно произойти. Лав закалывает Джоши насмерть и использует ее тело, чтобы проникнуть в систему безопасности для определения местонахождения Кея.

Кей навещает человека по имени Док Бэджер (Бархад Абди), чтобы сделать всесторонний анализ своей находки. Обнаружено, что игрушечный конь содержит следы радиации, которые направляют Кея к следующему месту поисков.

Он прибывает в руины Лас-Вегаса, где натыкается на большой дом с миной-ловушкой, которую успешно перешагивает. Кей видит собаку, а затем слышит голос Декарда позади. Декард целится из пистолета в голову Кею. Последнему удается бежать от хозяина. Кей попадает в комнату, где демонстрируются голографические проекции Элвиса Пресли и Мэрилин Монро. Декард дерется с Кеем, пока они не решают остановиться и выпить вместе. Кей расспрашивает Декарда про Рэйчел и о том, что они сделали со своим ребенком. Декард поясняет, что оставил ребенка в приюте из-за страха перед тем, что может кто-то на подобии Уоллеса сделать с ребенком, если узнает, как он был рожден. Прежде чем Декард успевает закончить мысль, Лав и другие агенты Уоллеса наносят внезапный визит и открывают огонь. Лав захватывает Декарда в плен, уничтожает эманатор вместе с Джой, а также оставляет раненного Kея умирать.

Декарда доставляют в Корпорацию Уоллеса, чтобы обсудить с Уоллесом возможность помочь ему с проблемой репродукции Репликантов. Для пущей убедительности он создает Репликанта, похожего на Рэйчел. Однако Декард отказывается, и Лав ликвидирует копию Рэйчел.

Kея обнаруживают благодаря устройству слежения. Он встречает команду движения за свободу, возглавляемую Фрейсой, в которой также участвует Мариетта. От Фрейсы Кей узнает, что ребенком была девочка, а не мальчик. Теперь паззл из всех собранных ранее улик, воспоминаний и данных сложился иначе: выходит, что это Ана на самом деле является дочерью Декарда и Рэйчел, что сильно расстраивает Кея. Он понимает, что в действительности она внедрила в его памяти воспоминания о ней, а это делает его абсолютным репликантом. Затем Фрейса призывает Кея не дать Уоллесу ни в коем случае узнать больше о воспроизводстве Репликантов, даже если для этого придется прибегнуть к убийству Декарда.

Кей прогуливается домой в одиночку, когда видит гигантскую голографическую рекламу другой Джой. Кажется, что она действительно разговаривает с ним, если не знать, что это все неправда. Но в конечном итоге она вдохновляет его на выполнение  возложенной миссии.

Лав направляет Декарда на один из отдаленных постов Уоллеса, чтобы там пытать его. Кей пытается помешать им, приманив их воздушные суда максимально близко к поверхностью воды. Кей вступает в бой с головорезами Уоллеса ради спасения Декарда. Лав сражается с Кеем, нанося ему удары в бок. Суда начинают медленно погружаться воду, а Декард вместе с ними идет ко дну. Несмотря на ранения, Kей одерживает верх над Лав, утопив её под водой. Затем он вытаскивает Деккарда, но создает иллюзию, что тот умер, так что Уоллес не может его найти.

Кей отводит Деккарда в  офис Аны, чтобы он наконец мог встретиться с ней. Когда Декард входит внутрь, Kей ложится на ступеньки, чтобы посмотреть на падающий снег, понимая, что его раны смертельны. Декард заходит в кабинет Аны и смотрит в изумлении: он видит свою дочь в первый раз.