Детальный анализ сюжета раскрывает несколько ключевых поворотов. Йо Фредерсен, правитель Метрополиса, узнает о тайных собраниях рабочих, которые вдохновляет пророчица Мария, и решает заменить её на робота-двойника. Он приказывает изобретателю Ротвангу создать робота, который будет выглядеть как Мария, но сеять среди рабочих раздор и хаос. Ротванг, однако, преследует свои цели: он хочет отомстить Фредерсену, погубив и его город, и его сына. Он похищает Марию и с помощью своего изобретения копирует её внешность на "Человека-машину".
Лже-Мария становится звездой в верхнем городе, исполняя эротический танец перед элитой, а затем спускается к рабочим и вместо проповедей о мире произносит пламенные речи, призывая к уничтожению машин. Рабочие, подстрекаемые ею, поднимают восстание и разрушают центральную машину — "Сердце" города. Этот акт вандализма имеет катастрофические последствия: насосы перестают работать, и подземный рабочий город начинает затапливать, угрожая жизни оставшихся там детей. В этот момент рабочие осознают, что их обманули, и в ярости обращаются против Лже-Марии, не зная, что настоящая Мария смогла сбежать и теперь пытается спасти их детей.
В кульминации фильма толпа ловит Лже-Марию и сжигает её на костре. В огне её плоть сгорает, обнажая металлический каркас робота, что раскрывает обман. Одновременно Фредер сражается с обезумевшим Ротвангом на крыше собора за спасение настоящей Марии. Ротванг падает и погибает. Финальная сцена происходит на ступенях собора: рабочие и Йо Фредерсен стоят друг против друга, полные недоверия. Фредер, выполняя свою роль "посредника", берет руку своего отца и руку старшего рабочего и соединяет их. Рукопожатие символизирует начало нового союза между "головой" и "руками", достигнутого благодаря "сердцу".