1989年，神盾局科学顾问汉克·皮姆研究出一种能够让人体缩小至原子大小的“皮姆粒子”（Pym Particles），但之后发现霍华德·斯塔克等神盾局高层试图瞒着他自行生产粒子。汉克愤而辞职以捍卫成果，发誓在有生之年尽其所能隐藏技术。现今，退休的汉克跟疏远多时的女儿霍普·范戴恩重逢，霍普表示汉克以前的门生达伦·克罗斯（英语：Darren Cross）已经独霸他一手创始的“皮姆科技公司”（Pym Technologies），并试图着手研发一种跟皮姆粒子类似的技术，包括配对战斗服黄蜂战甲。得知此事的汉克开始紧张，认为此技术若将大量生产会引起轩然大波。
窃盗犯斯科特·朗刑满出狱后决定洗心革面，但被前妻玛姬与她的警察未婚夫吉姆·派斯顿以没交赡养费为由而禁止他接触女儿凯茜。由于犯罪前科而难找工作，缺钱的斯科特不得不求助前狱友路易斯（英语：Luis (Marvel Comics)），与他带领的团队合作一幢入室盗窃，联手窃取一栋屋主外出的大宅里的保险箱。斯科特单靠随机应变就进入房子地下室，但在保险箱中只找到一套类似摩托服的衣服。无功而返的斯科特回去后经不起好奇，试穿服装时突然被缩至蚂蚁一般大小，在公寓里连续躲避人群才恢复原来的大小。斯科特第一时间将服装还回去，但不慎被警察抓回警局，大宅的屋主汉克拜访斯科特，再次给他一个逃狱的机会，用蚂蚁偷偷将缩小衣偷运给他后，让他骑着一只木蚁逃出警局。斯科特回到汉克的大宅，得知是汉克设局让自己遛进来偷走服装，藉以测试斯科特的能力来成为新一代“蚁人”偷走达伦的技术。
为了回到女儿身边，斯科特开始与霍普进行严格训练，以缩小身躯穿钥匙孔和与自己的蚂蚁同伙们打好交道，但在训练时处处碰壁。当霍普决定让自己身穿战服去完成任务，却被汉克大声拒绝。斯科特得知汉克的妻子珍妮特·范戴恩在多年前为了阻止一颗苏联核弹，被迫将她的身躯缩小至亚原子才制止危机；汉克也因此警告斯科特千万不能乱动蚁人服的调节器。斯科特随后开始集中精神通过各种训练，最后阶段则是去霍华德·斯塔克名下的一间旧仓库偷盗特殊零件，但众人未预料到仓库如今改建成复仇者总部。不想前功尽弃的斯科特纵身跳下去，与看守总部的山姆·威尔逊交过手后成功得到零件。
达伦经过夜以继日的实验完成自己的粒子技术，在皮姆科技大楼中举办揭幕仪式。由于大楼的保安程度升级，斯科特招募路易斯一行伙伴，受邀参加的汉克与霍普负责拖延时间。斯科特伴随着蚂蚁大军从排水道进入大楼中，首先破坏大楼伺服器并装置炸弹，在即将要偷到黄蜂战甲前却中计而被关在其中。达伦将汉克和霍普劫持后，打算将战甲和粒子技术全数卖给前神盾局高官米契·卡森（英语：Mitchell Carson）；米契如今身为九头蛇的代表人物。斯科特脱离险境的一瞬间，霍普击败所有九头蛇的人，但米契却拿走达伦留下的装有粒子的小瓶后走为上策。斯科特去追赶达伦的直升机，当大楼疏散完毕后，炸弹爆炸使皮姆科技大楼毁于一旦。达伦见自己的未来化为泡影后，换上黄蜂战甲与斯科特锁入手提箱中对决。箱子直落一座花园游泳池，斯科特一度击退达伦，但他很快被派斯顿与其搭档依法逮捕。
死性不改的达伦闯进玛姬的家挟持凯茜，派斯顿被迫开警车回家。斯科特靠缩小赶至凯茜的房间，与达伦以缩小状态在凯茜的汤玛士小火车模型上展开生死对决。派斯顿到二楼跟斯科特联手救凯茜，但达伦拦住他们去路，斯科特被迫手动开启调节器将自己缩小至亚原子，钻进达伦的战甲中破坏粒子管道，使达伦直接失控般的缩小直到消失。同样缩为亚原子的斯科特掉进量子领域，但在听到凯茜的呼喊后，透过把放大器放入调节器再扭动、从而成功回到宏观世界。凯茜高兴地迎接父亲归来，斯科特将救人功劳让给派斯顿。派斯顿因此对斯科特改观，跟玛姬重新接纳他。
汉克对斯科特逃出量子领域的经历极为执著，开始重新沉思自己妻子的下落，斯科特和霍普同时开始喜欢上彼此。路易斯再度联络斯科特，在他的一通细节的介绍下，最后告知山姆·威尔逊正在查找他。事情平息，汉克带着霍普打开保险箱里面的一道秘门，将自己和妻子一同设计的黄蜂女战服交托给她。另一方面，山姆在一间仓库见到史蒂夫·罗杰斯，在场的人包括被他们抓获的巴基·巴恩斯；两人考虑到“协议”的问题而无法联系托尼·斯塔克，开始商量该如何进行下一步时，山姆于是推荐斯科特能作为盟友加入他们。