1989年，神盾局科學顧問漢克‧皮姆研究出一種能夠讓人體縮小到原子大小的「皮姆粒子」（Pym Particles），之後卻發現霍華‧史塔克等神盾局高層試圖瞞著他大量生產粒子。漢克為捍衛成果而辭去職務，發誓在有生之年一定會隱藏它。今日，漢克已經退休，他疏遠多時的女兒荷普‧范戴茵突然回到他身邊，表示漢克富有野心的前門生達倫‧克羅斯已經霸佔他一手創始的「皮姆科技企業」（Pym Technologies），並試圖著手研發一種跟皮姆粒子類似的技術、包括配對戰鬥服「黃蜂戰甲」。得知此事的漢克開始緊張，認為此技術若將大量生產會引起軒然大波。

一位技術高超的竊盜犯史考特‧朗恩出獄後決定洗心革面，去拜訪自己心愛的小女兒凱茜時，卻被前妻瑪姬和她的警察未婚夫吉姆‧派斯頓以沒交贍養費為由支出門外。由於犯罪前科而難找工作，缺錢的史考特只能回去找前獄友路易斯合作入室盜竊，去偷盜一棟屋主外出的大宅中的保險箱。行動當晚，路易斯的同夥戴夫和寇特切斷街區警報後，史考特單靠眼前的工具就進入房子地下室，以冷卻金屬炸開保險箱後，卻發現裡面除了一套類似摩托服的衣服以外空無一物。史考特沮喪地回去，但經不起好奇而穿上衣服後，突然被服裝縮至螞蟻大小。史考特恢復後在第一時間將服裝還回去，但在出去時不慎被警察捕獲。關押期間，房子的屋主漢克拜訪史考特，並給他一個逃出監獄的機會，用螞蟻偷偷將縮小衣偷運給他後，讓他騎著一隻木蟻逃出警局。

史考特從漢克的家中醒來後，漢克解釋是他設局讓史考特遛進來偷走服裝，目的是測試史考特的能力，讓他有資格成為新一代「蟻人」，將達倫的黃蜂戰甲偷出來。為了回到女兒身邊，史考特開始與荷普進行嚴格訓練，以縮小身軀穿鑰匙孔、與自己的同夥螞蟻們打好交道，但在訓練時處處碰壁。當荷普決定讓自己身穿戰服去完成任務，卻被漢克大聲拒絕。史考特得知漢克的妻子珍妮特‧范戴茵在多年前為了阻止一顆蘇聯核彈，被迫將她的身軀縮小至亞原子才制止危機；漢克也警告史考特萬一亂動蟻人服的調節器也會遭受相同命運。後來，史考特開始集中精神通過種種項目，而最後階段則是去霍華‧史塔克名下的舊倉庫去偷盜一個特殊零件，但眾人未預料到倉庫如今改建成「復仇者基地」。史考特還是決心完成任務，跳下去與看守的山姆‧威爾森打一戰後，成功拿到零件滿載而歸。

達倫通過夜以繼日的研究成功製造出他的縮小技術，在皮姆科技大樓中舉行一場揭幕儀式。由於大樓的保安程度更新，史考特求助路易斯等人，受邀參加的漢克與荷普則是負責拖延時間。史考特伴隨著螞蟻大軍從排水道進入大樓中，首先破壞大樓伺服器並裝置炸彈，在即將要偷到黃蜂戰甲前卻中計而被關在其中。達倫將漢克和荷普劫持後，打算將戰甲和粒子技術全數賣給前神盾局高官米契‧卡森，如今成為九頭蛇的代表人物。史考特脫離險境的一瞬間，荷普擊敗所有九頭蛇的人，但米契卻拿走達倫留下的裝有粒子的小瓶後走為上策。史考特去追趕達倫後登上他的直升機，大樓的所有人也在同一時刻疏散完畢，而此時炸彈一爆，將皮姆科技大樓炸成灰燼。達倫見自己的未來化為泡影后，一氣之下換上黃蜂戰甲，和史考特鎖入手提箱裡掉掉花園游泳池裡。

派斯頓與其搭檔剛好到場逮捕史考特，死性不改的達倫來到瑪姬的家劫凱茜做人質，派斯頓也被迫開警車回家。史考特縮小來到凱茜房間，與達倫以縮小狀態在凱茜的湯瑪士小火車模型上展開最終決戰，派斯頓剛好趕上來與史考特合作解救凱茜。史考特在無法阻止他下只能手動開啟調節器將自己縮小至亞原子，鑽進黃蜂戰甲中破壞粒子管道，使得達倫在戰甲縮水失控下縮成一撮火苗。史考特殺死達倫的瞬間也縮為亞原子大小後掉進量子領域，卻在聽到凱茜的呼喊後，透過扭轉蟻人服功能之下成功回到宏觀世界。凱茜高興地迎接父親歸來，史考特離開前將救人功勞讓給派斯頓。派斯頓因此對史考特十分感激，於是親自將他之前越獄事情矇混過去，也和瑪姬重新接納他。

事情之後，漢克開始對史考特的經歷感到十分執著，並開始重新沉思自己妻子的下落。而路易斯再度聯絡史考特，在他的一通細節的介紹下，最後告知山姆‧威爾森正在尋找他。事情平息，漢克帶著荷普打開保險箱裡面的一道秘門，將自己和妻子一同設計的「黃蜂女」戰甲交託給她，荷普快樂地說：「我想是時候了」。同時，山姆於一個倉庫見史蒂芬‧羅傑斯，以及被他們所抓獲的巴奇‧巴恩斯，兩人因為「協定」而無法聯繫東尼‧史塔克，山姆於是推薦史考特‧朗恩加入他們。