电影讲述周树（黄晓明饰）在夜市被蒙面人挟持，关进了名为“Hades”（译为“冥府”）的监狱。这座监狱关押着各型各色重型犯人，仿佛残酷人类战场。为了营救周树，硬汉史泰龙重出江湖，再次出演运筹帷幄的越狱专家，携手戴夫·巴蒂斯塔作为接应的助手，故意让自己被抓住后，深入这座监狱，与周树互相配合，共同作战逃脱。
幽冷的蓝色调和金属质感的场景设备，共同构筑出一个极度高科技的惊悚“牢笼”，压迫感十足；更为有意思的是，监狱由一个名为“伽利略”的智能机器人运营，它像幽灵般监控着“冥府”的风吹草动，大量的数据在他的钢铁骨架中流动、传输，而其修长手臂仿佛能延伸到“冥府”的每个角落，诡异异常。
据千讯咨询发布的《中国电影市场前景调查分析报告》显示，导演史蒂文·C·米勒曾表示因为《金蝉脱壳2》是一部有关高科技监狱的电影，所以他才设置了“会呼吸、运动、眨眼睛，仿似人形的人工智能”，此外为了让机器人更“真实可感”，主创选择了实体拍摄机器人的方式。
根据摄影师布拉农·考克斯的介绍，《金蝉脱壳2》其实更趋向于科幻而非动作，影片有不少灵感源于《银翼杀手》，而“冥府”的场景，则是从《异形》里获得的灵感。如此设定，为故事增添了一份神秘感和悬疑感，而在近年各种“燃爆”的动作大片中，《金蝉脱壳2》显然是“反套路”的。