Sam Flynn a 7 ans lorsque son père, Kevin Flynn, disparaît sans explication. Vingt ans plus tard, Sam pénètre par effraction dans les locaux d'ENCOM (leader en informatique, dont il a hérité de la majorité des actions) et met gratuitement en ligne un nouveau système d'exploitation. Arrêté puis libéré, il est contacté par le vieil ami de son père, Alan Bradley : ce dernier a reçu une étrange alerte sur son pager, provenant de l'ancienne salle de jeux d'arcade de Kevin. Curieux, Sam s'y rend. Il y découvre un ordinateur, qui le transporte littéralement dans un monde virtuel : la Grille. CLU, le clone de Kevin, y règne en maître. Sam est repéré et capturé : CLU le soumet à l'épreuve de l'Arène face à son champion, Rinzler. Sam est alors secouru par Quorra, qui l'emmène auprès de son père. Kevin explique à son fils comment TRON et lui ont été trahis par CLU, et comment ce dernier a exterminé les Iso, des Programmes hybrides nés de la Grille. Avec l'aide de Quorra, dernière représentante des Iso, Sam veut retourner dans son monde pour supprimer CLU. Mais il est trahi par son "passeur", Zuse, qui oblige Kevin à intervenir. Ce dernier se fait voler son disque d'identité : la clé qui manquait à CLU pour quitter la Grille... Une course contre la montre s'engage pour stopper CLU avant qu'il ne passe dans le monde réel avec une armée. Grâce à Rinzler (en réalité TRON, reprogrammé) puis au sacrifice de Kevin, qui contraint CLU à fusionner avec lui, Sam et Quorra quittent la Grille.