コシンスキーはアーヴィッド・ネルソンと共同で執筆したグラフィックノベルの映画化を望んでいた。2010年8月、コシンスキー監督の『トロン: レガシー』を製作したディズニーが『オブリビオン』の映画化権を競売の末に獲得した。ディズニーは家族向けにするためにPG指定にすることを望んだ。そのようなレイティングはプロジェクトを「創造的に握りつぶす」こととなり、そしてディズニーは映画化権を売却した。その後、元々映画化権を買おうとしていたユニバーサル・ピクチャーズが獲得し、PG13での製作を承認した。映画脚本は元々ウィリアム・モナハンが執筆し、その後カール・ガイダシェクにより最初の書き直しが行われた。権利がユニバーサルに移ったあと、マイケル・アーントによって最終的な書き直しが行われた。ユニバーサル側は「それは我々が今まで出会ってきた中で最も美しい脚本の一つだ」と賞賛した。
西暦2077年。60年前に起きた異星人スカヴからの侵略を食い止めたものの、核兵器によって荒廃してしまった地球。人類の大半は、土星の衛星であるタイタンへの移住を余儀なくされていた。そんな中、元海兵隊司令官コードネーム「Tech49」ジャック・ハーパー（トム・クルーズ）はヴィクトリア・オルセン（アンドレア・ライズボロー）と共にたった二人で地球に残され、スカヴの残党を始末するため、高度1,000mの上空から地上を監視する役目を担っていた。ある日、ジャックは地上パトロールの途中で墜落した宇宙船を発見。その残骸から謎の女性ジュリア・ルサコーヴァ（オルガ・キュリレンコ）を助け出す。目覚めた彼女は何故か会った事も無いジャックの名前を口にする。ジャックも断片的な記憶の中に彼女を見るが、そんな中で彼は突然スカヴに捕えられ、連行された先でマルコム・ビーチと名乗る謎の男（モーガン・フリーマン）と出会う。彼にスカヴがエイリアンではなく人類の生き残りであること、タイタンに移民者などいないこと、移民前の一時的な避難先である宇宙ステーションと教えられていた「テット」という物体こそが人類の敵であることを告げられる。そして、マルコムに送り出されて「汚染地区」へと向かったジャックは、自分と全く同じ容姿の「Tech52」のジャックと遭遇する。そしてジャックは自分とヴィクトリアが量産されたクローンであり、テットの手先として人類を抹殺する任務をこなしていることを知る。その後、かつてジャックとジュリアが共に終の住処にしようと語った湖畔の家で二人は結ばれ、戦いが終わったらここに戻ると誓う。スカヴの基地へと戻ったジャックは、マルコム達の計画に従い、殺人マシンであるドローンを再プログラミングし、テットへ核爆弾として送り込む準備をする。しかし実行しようとした矢先にテット側のドローンの襲撃を受け、確保したドローンも再起不能になってしまう。そこでジャックとジュリアは、宇宙船の生存者を連行するよう求めていたテットの指示を利用し、自分たち自身でテット内部に特攻する計画を考えつく。テットへ進入する際、交信で「嘘をついている声」であることを解析されたジャックは「ジュリアを死なせず、人類を存続させたい」と"真実"を言ってテットの警戒を解き、おびただしい数のクローンが眠る中枢に乗り込む。ジャックがテットの前でコールドスリープ装置を開けると中にいたのはマルコム。テットはドローンを差し向けるが、ジャックとマルコムは爆弾のスイッチを押す。テットは爆発、崩壊し、地上のドローンは活動を停止。ジュリアはジャックとの約束の地で目覚め、空に輝くテットの爆発時の光を目にする。3年後、湖畔で娘と暮らすジュリアの元にスカヴ達とジャックが現れる。彼は汚染地区で出会ったTech52だったが、「"彼"は"自分"だからこの場所を探し出せた」とモノローグ調のナレーションが流れる。
本作品におけるレイバーとは、人間が操縦する「多足歩行型作業機械」ロボットのことである。正式名称を「多足歩行式大型マニピュレーター」という（初期OVAでは「汎用人間型作業機械」、テレビシリーズの冒頭では「産業用に開発されたロボットの総称」と紹介されている）。作品世界において最初に登場した「多足歩行型大型マニピュレーター」の名称（商標）が「レイバー90」であり、当初篠原重工が商標を所有していたが、それを手放した後はこれらの作業機械に対する一般名称として（ユンボやホッチキス、マジックのように）普及したとされる。その後は様々な形態のレイバーが誕生し、水中専用のものなどにも目を向ければ、必ずしも多足歩行システムを有しているものだけに限らなくなっている。また、装輪タイプのレイバーも存在し、多足歩行モード以外に一般公道を本来の「車」に近いかたちで走行可能なものも増えつつある。しかし、その破壊力が犯罪に向かったときには既存の警察力では対抗し得ないために作品の主人公が搭乗するパトロールレイバー（パトレイバー）が活躍するのである。その源流は漫画版において城南工大の古柳教室で研究されていた「多足歩行機械の制御」にあるとされている。他にもこの教室はレイバー開発の中心部に係わる人間を多く輩出している。作中で登場するレイバーは、主に土木建築機械の延長線上として扱われる。法的には「特種車両」とされており、機体そのものも「各車」などと車両に準じて呼称される。そのため、原則的にレイバーには自動車のナンバープレートが取り付けられており、その操縦には多脚制御機免許が必要となる。一方、作品設定の初年である1998年から現実の自動車で開始されたナンバープレートの3桁化はなされておらず、メインロボットであるイングラムも2桁ナンバーを装着している。このレイバーは『鉄人28号』を初めとした既存の巨大ロボット物アニメ・漫画のロボット達とは違い、一機例外があるがビーム兵器を持つわけでもなく、空を飛行できるわけでもない。このようなそれまでの「兵器」としてのロボットではなく、『日常生活に溶け込んだロボット』というのが製作側のコンセプトであった。これらについては『ミニパト』第2話で詳しく説明がされている。メーカー各社がモーターショーの様な展示会（レイバーショー）を開催したり、保険会社がレイバー向けの保険を販売しており警察もパトレイバー専用の保険に加入しているなど、作業機械としての印象を与える設定も度々登場している。もっとも作品内でのロボットの位置づけこそ日用品であっても、物語の中では結局格闘戦が山場になることが多く、その点では巨大ロボット物アニメ・漫画の伝統に縛られていた。ちなみに、本作品では本体にコクピットを持たない無人機であったとしても、有線/無線を介して操縦者の存在が外部にある場合は「レイバー」と呼ばれる。一方でプログラムなどによって半自律的に稼動するものは基本的に「ロボット」としている。