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Im Jahr 2032 lebt Flynne Fisher in einer Kleinstadt in North Carolina und schlägt sich mit einem Aushilfsjob durch. Als begabte VR-Spielerin unterstützt sie ihren Bruder Burton bei der Pflege der schwer kranken Mutter Ella und braucht dringend Geld für deren Medikamente. Eine mysteriöse kolumbianische Firma namens Milagros Coldiron schickt ihr den Prototyp eines hochmodernen Headsets.
Das Gerät versetzt Flynne in eine ultrarealistische Sim-Welt – in einen Körper, der wie der ihres Bruders aussieht. Von einer Stimme geführt, wird sie auf eine Party des Research Institute (RI) geschickt, um eine Frau namens Mariel zu verführen und zu entführen. Mariel wird zu Aelita West gebracht, jener Frau, die Flynne durch die Sim führte.
Bei ihrem zweiten Einsatz erwacht Flynne auf einem Operationstisch: Ihr wird eines von Mariels Augen eingesetzt, mit dem sich Daten in einem gesicherten Gebäude abgreifen lassen. Nachdem Flynne in der Sim-Welt stirbt, meldet sich jemand aus der Firma und warnt sie, dass ihr Leben in Gefahr ist. Burton tut die Warnung als Unsinn ab – bis die Drohnen der beiden ein herannahendes Elite-Killerkommando entdecken.
In der Nacht stürmen angeheuerte Kopfgeldjäger Flynnes Grundstück. Sie verlässt sich auf ihren Bruder Burton und dessen Ex-Militär-Freunde, um den Angriff abzuwehren.
Von Wilfred Netherton erfährt Flynne die Wahrheit: Sie spielt keine Sim, sondern steuert per Quantentunneln einen Roboter – ein sogenanntes Peripheral – in einer 70 Jahre in der Zukunft liegenden Version Londons. Inzwischen steht ihr ein Peripheral zur Verfügung, das ihrem eigenen Körper nachempfunden ist.
Im Gespräch mit dem mächtigen Lev Zubov erfährt sie, dass sie in einer parallelen Zeitlinie – einem sogenannten „Stub“ – lebt, die entstand, als jemand aus deren Zeit erstmals Kontakt zu Flynnes Gegenwart aufnahm. Zubov bittet Flynne, Aelita West aufzuspüren, die sie für den Zugang zu Flynnes Stub bezahlt hatten. Flynne verweigert die Zusammenarbeit, solange es ihrer Mutter nicht besser geht.
Zurück im Jahr 2032 beginnen die örtlichen Behörden zu ermitteln. Der kriminelle Geschäftsmann Corbell Pickett wird angeheuert, um Flynne und ihren Bruder auszuschalten.
In einer Rückblende zeigt sich der neue Widersacher Corbell Pickett als überaus brutaler Mann: Er erstickt eine Bikergang in den ihnen gerade verkauften Wagen und bringt seinem verängstigten Neffen Jasper seine grausamen Methoden bei. In der Gegenwart wägt Corbell mit seiner jungen Frau ab, ob er das Kopfgeld auf die Fisher-Familie einstreichen oder das angebotene Schweigegeld nehmen soll – zunächst will er nur weiter über die Fishers recherchieren.
Flynne, dank der Zukunftsmedizin von ihren Leiden geheilt, erzählt unbedacht ihrer besten Freundin Billy Ann die ganze Geschichte. Burton ist außer sich, als er davon erfährt, denn Billy Ann ist ausgerechnet mit Jasper, Corbells Neffen, verheiratet – in dieser Stadt bleibt nichts lange geheim.
Im London des Jahres 2100 erfährt Flynne von Wilf und Ash, dass Mariel, die Frau, die ihr Auge verlor, stellvertretende Sicherheitsmanagerin am Forschungsinstitut war, und dass Corbell Pickett die nächste Bedrohung für ihre Familie sein könnte. Eine Rückblende zeigt, dass Wilf und Aelita als Waisen gemeinsam bei einer wohlhabenden Familie aufwuchsen und unzertrennlich waren; Wilfs Pflegemutter berichtet, Aelita habe zuletzt gesagt, sie wohne dort, „wo in London zuletzt Schnee fiel“.
Burton will Corbell am liebsten sofort töten, trifft ihn stattdessen aber und bietet ihm 200.000 pro Woche, sich fernzuhalten; um seine Macht zu demonstrieren, lässt er über den haptischen Link mit seinen Marines Corbells Glas von einem Scharfschützen zerschießen. Zurück in London synchronisieren sich Wilf und Flynne über eine ähnliche haptische Technik und teilen Sehen und Fühlen; als ein Polizeiroboter Flynne aufhält, tarnt Wilf ihre Identität, und die beiden küssen sich. Burton warnt Flynne später, dass dieses „Haptic Drift“ genannte Verschmelzen der Sinne dazu führen kann, sich zu verlieben.
Schließlich löst Flynne Aelitas Rätsel: Der „Schnee“ ist der englische Arzt Dr. John Snow; sie und Wilf spüren dessen Sterbeort und Aelitas versteckte Räume auf, in denen die Augenoperation stattfand – dort finden sie Aelitas Implantat und Miniaturmodelle des Fisher-Anwesens. Nulands Handlanger Daniel greift mit einem Kampfroboter an, doch diesmal überwältigt Flynne ihn; bevor der verletzte Daniel verraten kann, warum Nuland sie jagt, schlitzt ihm der Roboter selbst die Kehle auf. Zuvor hatte Cherise Nuland Aelitas frühere Freundin Grace, die geheime Informationen weitergegeben hatte, mit einem Bienenschwarm töten lassen.
Die Folge beginnt mit einer Rueckblende in das London der Zukunft, ein Jahr vor Aelitas Verschwinden. Aelita trifft im Research Institute ihre fruehere Geliebte Grace Hogart wieder, die sie in den streng gesicherten Raum mit der umgekehrten Pyramide fuehrt. Grace erklaert, wie das Institut ueber die sogenannten Stubs Tausende Experimente betreibt, darunter einen Versuch, bei dem Haptik-Implantate das Mitgefuehlszentrum von Soldaten manipulieren. Zugleich wird klar, dass es das Institut war, das die Haptik-Systeme von Burton und seinen Freunden lieferte.
In der Gegenwart des Jahres 2032 erhaelt ein alter Mann namens Robert O'Connell ein Paket mit einem Telefon und einer Schallwaffe. Der Peripheral Daniel bietet ihm zehn Millionen Dollar fuer die Ermordung der Fishers; als Bob ablehnt, bedroht Daniel seine Tochter, woraufhin Bob den Auftrag annimmt. In einem verschluesselten Telefonat verabschiedet er sich von seiner Tochter, die ihm gesteht, dass sie schwanger ist.
Waehrend die Aerztin bei Flynne eine Infektion am Sehzentrum feststellt, lauert Bob den Geschwistern auf einer Bruecke auf. Billy Ann kommt hinzu, Flynne kann Burton im letzten Moment warnen, und im folgenden Gefecht streckt Billy Ann den Angreifer mit einer Schrotflinte nieder. Tommy verhaftet Bob, doch auf dem Weg zur Wache wird sein Wagen von einem getarnten Fahrzeug gerammt, und ein Unbekannter schleppt den bewusstlosen Bob davon.
Aufgewuehlt loggt sich Flynne wieder in den Peripheral ein und stellt Wilf zur Rede, weil er sie nicht gewarnt hat. Wilf erzaehlt von seiner eigenen gewaltvollen Vergangenheit und warnt sie vor der Last, die das Toeten mit sich bringt. Flynne beschliesst dennoch, das Uebel an der Wurzel zu packen, und sucht Cherise im Research Institute auf.
Cherise macht unmissverstaendlich klar, dass sie nicht aufhoeren wird, Flynne und ihren Bruder zu jagen. Der Streit eskaliert zu einem Zweikampf, den Flynne fuer sich entscheidet, indem sie Cherise das Genick bricht. Doch Cherise hatte zuvor verraten, dass auch sie sich eines Peripherals bedient: Flynne hat also nur eine Kopie getoetet, nicht die echte Cherise, der sie beim naechsten Mal selbst gegenuebertreten will.
Die Folge beginnt mit einer Rückblende ins Jahr 2028: Burton und seine Marine-Einheit beobachten in Texas einen verletzten Hund im Stacheldraht. Conner will ihm helfen, entdeckt aber zu spät, dass eine Bombe im Tier versteckt ist – die Explosion, die ihn im Krieg verstümmelte, lässt ihn in der Gegenwart schweißgebadet aufwachen.
In London zeigt Wilf Flynne, dass viele Menschen und selbst manche Gebäude um sie herum nur von der Research Institute erzeugte Augmented Reality sind; als sie die Überblendung auflöst, sieht sie die tatsächlich verfallene Stadt hinter der glatten Fassade. Auf der Suche nach den Herstellern von Aelitas Peripheral geraten die beiden in einen Metzgerladen, der als Werkstatt getarnt ist. Flynne setzt sich in einem Kampf gegen zwei Männer durch und erfährt, dass Aelita mit den Neoprims zusammenarbeitet – einer Gruppe, die das London der Zukunft zerstören will.
In Clanton kämpft der verletzte Deputy Tommy mit seinen Erinnerungen an den Unfall, während Ash im Haus von Lev Zubov Peripherals für Conner und Burton baut. Bei Corbell Pickett erwacht der gefesselte Bob mit einem elektrischen Halsband; er zertrümmert ein Aquarium, überflutet den Raum und übersteht den Stromschlag, während Picketts Frau bewusstlos zu Boden geht.
Inspector Ainsley Lowbeer erscheint unangekündigt bei den Zubovs und droht, Wilf wegen seiner Anwesenheit am Tatort von Daniels Mord verhaften und hinrichten zu lassen. Stattdessen verlangt sie, die Peripherals und ihre Operatoren zu sprechen. Burton bringt Conner ein Paar mechanischer Beine aus der Zukunft und ringt mit dem Gedanken, ihm ein dauerhaftes Leben im Peripheral zu ermöglichen.
Zum Abschluss loggen sich Flynne, Burton und Conner gemeinsam in ihre Peripherals ein, die vor Lowbeer stehen. Die Inspektorin stellt sich Flynne vor und reicht ihr die Hand – die Folge endet mit diesem ersten Zusammentreffen.
In der Zukunft führt Inspektorin Lowbeer Flynne, Burton und Conner zu einer Trainingsanlage der Met-Polizei. Während sich Burton und Conner Stockwerk für Stockwerk gegen immer mehr Koids durchkämpfen und Lowbeers Assistentin Beatrice sie am Ende beide bezwingt, unterzieht Lowbeer Flynne einem Verhör und eröffnet ihr erschütternde Wahrheiten.
Lowbeer verrät, dass Flynnes Zeitlinie schon lange vor dem Kontakt mit Aelita vom Research Institute manipuliert wurde. In Lowbeers eigener Vergangenheit verlor Conner nie seine Gliedmaßen, kämpften Burton und Conner ohne Haptik-Technologie im Krieg – und nur Conner überlebte, während Burton fiel. Zudem habe jene Flynne dort Tommy geheiratet und zwei Söhne mit ihm bekommen.
Im Jahr 2032 erblindet Ella erneut und lässt sich von Burtons Freund Reece ins Krankenhaus bringen – verfolgt vom Killer Bob. Bob tötet Reece und nimmt Ella und die Ärztin Dee Dee als Geiseln. Als die Haptik-Technologie Reeces Werte nicht mehr erfasst, eilen Burton, Flynne und Leon zum Krankenhaus, und Burton streckt Bob nieder und rettet die beiden Frauen.
Unterdessen findet der Polizist Tommy sein Wrack auf einem Schrottplatz und darin Bobs Pistole sowie die futuristische Schallwaffe, die er „Dingsbums“ nennt. Von Sheriff Jackman zu Corbell Picketts Anwesen gerufen, entdeckt er die Leiche von Mary Pickett und erfährt, dass Jackman ihm die Verhaftung der Fishers aufzwingen will und beide in Wahrheit für Corbell arbeiten. Tommy weigert sich, kehrt zurück und erschießt Jackman mit Bobs Pistole, ehe er Corbell mit dem „Dingsbums“ durch die Glastür schleudert.
In der Zukunft sucht Cherise Nuland Lowbeer auf und behauptet, ihr sei etwas gestohlen worden – die Daten des Research Institutes zu einem neuronalen Steuerungsmechanismus. Sie fordert Lowbeer auf, Zubov und die Fishers zu vernichten. Zugleich entlarvt Zubov das Komplott von Ash und Ossian, die die gestohlenen Daten einer umstürzlerischen Gruppe zuspielen wollten, und es zeigt sich, dass Beatrice ein Peripheral nach dem Vorbild von Lowbeers Tochter ist.
Im Verlauf der Ereignisse ihres Zeitstrangs muss Flynne mit den Folgen der Gewalt leben: Corbell Pickett überlebt den Anschlag, während Deputy Tommy die Spuren beseitigt. Inspektorin Lowbeer eröffnet Flynne, dass ihre Mutter Ella nur noch gut drei Wochen zu leben hat und nichts mehr zu machen ist. Während Ella bereit ist, den Tod anzunehmen, kann Flynne es nicht akzeptieren.
In London trifft Ash sich mit Cherise Nelund und schließt einen Handel: Sie verrät, dass die von Aelita gestohlenen Daten in Flynnes Kopf gespeichert sind, und bittet im Gegenzug darum, Lev Zubov zu töten. Cherise willigt ein und macht Ash zu ihrer Verbündeten. Als Flynne davon erfährt, erkennt sie, dass Cherise den „Jackpot“ in ihrem Zeitstrang beschleunigt – auch die Miliz-Drohung gegen das Raketensilo, von der Tommy ihr berichtet hatte, geht darauf zurück.
Wilf verbindet sich erneut mit Flynne, um mehr über seine Vergangenheit mit Aelita zu erfahren. Sie stoßen auf die junge Aelita und schließlich auf die echte Aelita, die enthüllt, dass der Klept in den Lagern binnen zwei Wochen fast fünf Millionen Menschen auslöschte. Sie hat eine Gruppe Rebellen um sich geschart und will Wilf für ihren Kampf gegen den Klept gewinnen – und braucht dafür Flynnes Gehirn als Datenspeicher.
Flynne schmiedet mit Lowbeer und Conner einen radikalen Plan, den sie vor ihrem Bruder Burton geheim hält, weil er sie aufhalten würde: Sie will einen neuen „Stub“, eine abgespaltene Zeitlinie, erschaffen. Zuvor kappt sie Cherises Möglichkeit, ihren Standort zu orten. In einer der benötigten Einrichtungen kämpft sie sich an den Wachen vorbei, während Cherise über einen der Körper versucht, sie aufzuhalten.
Ihrem Plan folgend lässt Flynne sich von Conner in ihrem eigenen Zeitstrang erschießen – und erwacht unversehrt im Peripheral, wo sie sich mit Lowbeer trifft; der Plan ist aufgegangen. In einer Szene während des Abspanns wird Lev Zubov von drei alten Mitgliedern der Klept-Oligarchie bedrängt, die ihn drängen, alle losen Enden rasch zu beseitigen, und ihm mit dem Tod seiner Familie drohen.