Bộ phim lấy bối cảnh trên sao Hỏa vào năm 2071, tức 49 năm sau khi Trái đất trở nên hoang tàn do một thảm họa gây ra. Loài người đã định cư trên các hành tinh và vệ tinh tự nhiên khác nhau trong hệ mặt trời. Nhân vật chính của phim là những thợ săn tiền thưởng được hợp pháp hóa, những người cùng nhau sát cánh trên con tàu vũ trụ Bebop. Họ gồm Spike Spiegel, cựu đồng minh của tổ chức tội phạm Rồng Đỏ; Jet Black, một cựu cảnh sát kiêm chủ sở hữu của Bebop; Faye Valentine, một phụ nữ từng là mục tiêu những thợ săn tiền thưởng; Edward Wong Hau Pepelu Tivrusky IV (viết tắt là Ed), một cô bé có kỹ năng máy tính thiên tài; và Ein, một "chú chó dữ liệu" được nâng cấp nhân tạo với trí thông minh cấp độ con người.

Vài ngày trước khi diễn ra lễ Halloween, một người đàn ông bí ẩn đã làm nổ một chiếc xe tải ở thành phố thủ đô của Sao Hỏa, gây thương vong cho hơn ba trăm người và làm phát tán thứ được cho là mầm bệnh mới. Để đáp trả, chính phủ Sao Hỏa tung ra khoản tiền thưởng kỷ lục 300 triệu woolong với hy vọng sẽ tóm được kẻ đứng sau vụ này. Khi vụ nổ xảy ra thì Faye đã vô tình nhìn thấy mặt của tên khủng bố, thế nên những thợ săn trên tàu Bebop quyết định vào cuộc để lấy món tiền kếch xù. Mỗi thành viên trong nhóm điều tra manh mối theo những cách khác nhau. Ed, dựa trên một hình xăm trên cổ tay của kẻ khủng bố, đã xác định được hắn ta chính là Vincent Volaju, cựu thành viên của một đội quân sự dường như đã thiệt mạng trong Chiến tranh Titan. Trên thực tế, Vincent là người duy nhất sống sót sau cuộc thử nghiệm liên quan đến mầm bệnh, do hắn đã được tiêm một loại vắc xin. Tuy nhiên, điều đó lại khiến Vincent bị mất trí nhớ phân ly và luôn nhìn thấy những con bướm ảo giác phát sáng, và việc không thể phân biệt được giữa hư và thực đã làm cho hắn phát điên.

Nhờ vài nguồn tin nên Jet biết rằng chiếc xe tải là tài sản thuộc Công ty Cherious Medical Pharmaceutical, nơi sản xuất mầm bệnh làm vũ khí sinh học một cách trái phép. Trong lúc đó, Spike lại gặp một người đàn ông tên Rashid (từng là trưởng nhóm phát triển mầm bệnh) và ông ta đưa cho anh một mẫu thử; đồng thời Spike còn chạm mặt một đặc vụ của Cherious Medical tên là Elektra Ovilo. Khi kiểm tra, "mầm bệnh" thực chất lại là một loại nanomachine protein mô phỏng các tế bào bạch huyết của người, sau đó phân hủy thành protein sau khi chết làm cho chúng không thể nhìn thấy bằng mắt thường. Spike cố gắng xâm nhập vào Cherious Medical rồi đấu tay đôi với Elektra, đồng thời còn cài thiết bị nghe lén vào người cô ấy. Sau đó, Elektra được Cherious Medical cử đi để giết Vincent, nhưng Spike lại bám đuôi cô hòng đánh bại Vincent trên một chuyến tàu hỏa cao tốc. Vincent nhanh chóng chiếm thế thượng phong và làm Spike bị thương nặng, sau đó ném anh ra khỏi tàu trước khi giải phóng một đám mây nano khác. Chúng làm tất cả hành khách trên tàu thiệt mạng, ngoại trừ Elektra, người vô tình được miễn dịch vì cô đã có mối quan hệ với Vincent trước khi cuộc thử nghiệm trên Titan được tiến hành. Elektra bèn bí mật cho một người bạn trong công ty lấy mẫu máu của mình để chuẩn bị dự trữ vắc xin.

Trong thời gian này, Faye tìm được cộng sự của Vincent là Lee Sampson nhưng lại để sổng cậu ta. Ein và Ed được cử đi để theo dõi hành tung Sampson, nhưng cả hai đã rời khỏi vị trí trước khi Faye đến đó. Cô xông vào căn phòng của Vincent đúng lúc hắn ta làm vỡ một viên chứa nanomachine, khiến Sampson chết một cách tức tưởi. Mặc dù Faye cũng bị nhiễm bệnh, nhưng tên khủng bố vẫn truyền cho cô một ít máu của mình qua nụ hôn, giúp cô thoát khỏi bàn tay thần chết.

Sau khi Spike hồi phục và trò chuyện lần cuối với Rashid, anh và Elektra bị Cherious Medical bắt giữ vì công ty này muốn quét sạch toàn bộ bằng chứng về sự tồn tại của nanomachine. Cả hai chạy trốn khỏi Cherious Medical, đồng thời còn lấy vắc xin mới được sản xuất trên đường tẩu thoát. Về phần Faye, cô cũng trốn thoát thành công sau khi Vincent rời đi để thực hiện một cuộc tấn công sẽ xóa sổ toàn bộ sự sống trên sao Hỏa. Sau khi cả nhóm đoàn tụ, họ xác định rằng Vincent sẽ phân tán nano bằng cách cho nổ những quả bóng bay jack-o'-lantern khổng lồ được sử dụng trong cuộc diễu hành Halloween. Để ngăn chặn điều đó, Jet chỉ huy một phi đội rải vắc xin xuống toàn thành phố, còn Faye thì đến Trạm kiểm soát thời tiết và gây mưa, giúp cho vắc xin lan nhanh hơn.

Spike đi đến tháp Eiffel và đối mặt với Vincent. Hai người nhanh chóng lao vào cuộc hỗn chiến dữ dội trong lúc cả thế giới đang đứng trước mối đe dọa diệt vong. Sau đó đám nanomachine được giải phóng và Spike tạm thời bị chúng làm suy yếu (trước khi vắc-xin phát huy tác dụng). Khi Vincent chuẩn bị kết liễu Spike thì Elektra xuất hiện và bắn hắn ta. Tuy nhiên, Vincent không bắn trả lại do hắn đã muốn chấm dứt cuộc đời của mình ngay khi còn ở Titan. Trước khi chết, Vincent không quên cảm ơn Elektra vì cô đã có thời gian ở bên cạnh và chăm sóc hắn.