Отец Фредера приходит к Ротвангу, полубезумному ученому, живущему вдали от обоих уровней Метрополиса в доме старинной постройки. Когда-то давно Ротванг любил мать Фредера Хель, умершую при родах. Хель ушла от Ротванга и вышла замуж за Фредерсена. Ротванг создал робота с внешностью Хель. По замыслу Фредерсена, если изготовить тысячи подобных роботов, они заменят собою рабочих. Ротванг в ответ на его расспросы говорит, что в карманах погибших найдены планы катакомб. Ротванг отводит туда хозяина Метрополиса. Там они незаметно присутствуют на тайном собрании рабочих. Мария обращается с речью к собравшимся и рассказывает им легенду о Вавилонской башне: тысячи рабочих строили эту башню, ничего не зная о замыслах тех, кто ее придумал. Мария говорит: «Сердце должно быть посредником между мозгом и руками».
Среди рабочих стоит и Фредер. Мария видит в нем посредника, которого призывала всем сердцем. Она целует его, и они назначают друг другу свидание в церкви. Фредерсен просит Ротванга сделать робот похожим на Марию. Мария не сможет прийти на свидание, потому что Ротванг хватает и гипнотизирует ее.
II) ИНТЕРМЕДИЯ. Фредер видит в церкви, как оживают статуи Семи Грехов и Смерти. Он говорит Смерти, чтобы та отошла от него подальше. Ротванг запер Марию у себя. Фредер отправляется искать ее. Услышав крики Марии, он проникает в дом Ротванга и вскоре сам оказывается под замком. Ротванг приступает к трансформации робота в существо, внешне точь-в-точь похожее на Марию. Освобожденный Ротвангом Фредер видит, как его отец обнимает робота (которого Фредер принимает за Марию). Это зрелище потрясает Фредера, вызывает головокружение и галлюцинации. Лихорадка приковывает его к кровати. В бреду он видит Смерть с косой в руках. В это время в кабаре «Ёсивара» Ротванг представляет гостям своего робота — фальшивую Марию.
III) ФУРИОЗО. Она танцует для них соблазнительный танец. Все принимают ее за настоящую женщину. Мужчины дерутся за нее. Позднее в катакомбах она призывает рабочих к бунту и разрушению: «Смерть машинам!» Фредерсен хочет, чтобы рабочие восстали: тогда он сможет применить против них силу и окончательно их приструнить. На самом же деле робот подчиняется воле не Фредерсена, а Ротванга, который обманул хозяина Метрополиса, желая ему отомстить. Вскоре робот начинает подчиняться только собственной воле. Рабочие отказываются верить Фредеру, когда он говорит им, что перед ними не настоящая Мария. Между тем Йозафат раскрыл ему правду. Рабочие даже хотят линчевать Фредера. Человека, пытавшегося защитить его, убивают ножом.
Старший мастер Грот предупреждает рабочих, что разрушение центральной машины приведет к затоплению подземного города. Это их не останавливает. Настоящая Мария, которой удалось вырваться из дома Ротванга, спасает детей. Фредер наконец-то находит ее. Вместе с ней и Гротом он спасает множество человеческих жизней. Фредерсен с горечью узнает, что его сын был в подземном городе. Грот настраивает толпу против фальшивой Марии. Люди приходят за ней в кабаре «Ёсивара» и сжигают ее на костре. Когда пламя охватывает «Марию», она приобретает черты металлического робота.
Ротванг, совершенно обезумев, теперь путает в своем сознании Хель и Марию. Он гонится за Марией в церкви и после драки с Фредером уносит ее на крышу. В новой стычке с Фредером Ротванг падает и разбивается насмерть. Подавленный Фредерсен опускается на колени. Мария, живая и здоровая, обнимает Фредера. На улице рабочие встречаются лицом к лицу с Фредерсеном. Мария предлагает Фредеру встать между Гротом и своим отцом: «Будь между ними посредником», — говорит она ему. Грот и Фредерсен пожимают друг другу руки. Рождается новый общественный договор.