O filme começa com cientistas de uma organização realizando experimentos genéticos com base no DNA do lendário Pokémon Mew. A partir dessas experiências, eles conseguem criar um clone: Mewtwo, um Pokémon incrivelmente poderoso, mas que nasce sem entender sua razão de existir. Inicialmente tratado como objeto de estudo, Mewtwo se sente traído ao descobrir que era apenas uma cobaia. Em um surto de raiva e confusão, ele destrói o laboratório e mata os cientistas que o criaram.
Em seguida, Mewtwo é abordado por Giovanni, líder da Equipe Rocket, que o convence a se aliar a ele para “controlar” seus poderes. Giovanni equipa Mewtwo com uma armadura e o usa em batalhas para seus próprios fins. No entanto, Mewtwo percebe que está sendo explorado novamente e rompe com Giovanni, destruindo a base da Equipe Rocket.
Com a ideia de que os humanos são egoístas e que os Pokémons são seus escravos, Mewtwo decide provar sua superioridade. Ele se isola em uma ilha e começa a arquitetar um plano para se vingar da humanidade e dos Pokémons criados naturalmente. Para isso, constrói um castelo em uma ilha e começa a clonar diversos Pokémons — criando versões geneticamente aprimoradas e obedientes.
Enquanto isso, Ash Ketchum, Misty e Brock recebem um convite misterioso para ir até a ilha de Mewtwo, com a promessa de enfrentar o maior treinador Pokémon do mundo. Apesar de dificuldades causadas por uma tempestade (também causada por Mewtwo), eles e outros treinadores conseguem chegar até a ilha.
No castelo, Mewtwo se revela como o anfitrião e desafia os treinadores, derrotando facilmente todos os seus Pokémons com os clones que criou. Ele então começa a capturar os Pokémons dos treinadores para cloná-los também. Surge então Mew, o Pokémon original do qual Mewtwo foi clonado, e os dois entram em combate.
Enquanto isso, os Pokémons originais e seus clones travam batalhas entre si. Ash, ao ver a luta se tornar cruel e sem sentido, corre para tentar interrompê-la. Ele acaba ficando entre o raio de energia de Mew e Mewtwo, e é atingido — sendo petrificado. Todos ficam em choque, e os Pokémons (originais e clones) começam a chorar. As lágrimas dos Pokémons, carregadas de emoção pura, revivem Ash.
Comovido com o sacrifício de Ash e o impacto emocional do momento, Mewtwo percebe que não precisa provar nada a ninguém e que o valor de um ser não está em sua origem, mas em suas ações. Mewtwo então parte com os clones para um lugar onde possam viver em paz e apaga a memória de todos os que estiveram ali, como forma de lhes poupar o trauma.
O filme termina com Ash, Misty e Brock de volta ao porto, sem memória do que aconteceu, apenas com uma vaga sensação de déjà-vu. Eles retomam sua jornada, enquanto Mew é visto voando ao longe.
