La historia transcurre en un futuro muy próximo. El invento conocido como la Gran Máquina activa y aporta energía a las máquinas que se han alzado contra la raza humana, diezmando a la población, antes de empezar a apagarse.
El mundo pronto quedará destruido, pero un grupo de pequeños seres intenta salvar lo poco que queda de la civilización. Está compuesto por nueve criaturas a las que un científico infundió vida poco antes de la catástrofe. Entre el grupo, Número 9 (la voz de Elijah Wood) demuestra tener madera de líder y cualidades que quizá les ayuden a sobrevivir e incluso a prosperar. Los demás miembros del grupo son Número 1 (Christopher Plummer), un veterano de la guerra, de carácter dominante y líder del grupo hasta la fecha; Número 2 (Martin Landau), un generoso y ahora frágil inventor; Número 3 y Número 4, gemelos de una gran erudición que se comunican sin palabras y sobre todo entre sí; Número 5 (John C. Reilly), un inquebrantable ingeniero;   Número 6 (Crispin Glover), un artista errático atormentado por las visiones; Número 7 (Jennifer Connelly), una valiente guerrera autosuficiente, y Número 8 (Fred Tatasciore), el musculoso y no muy listo guardaespaldas de Número 1.
Con un grupo tan reducido, estas creaciones “stitchpunk” (“residuopunk”, derivado de la corriente “steampunk”) deben hacer acopio de una fuerza desproporcionada a su tamaño para engañar y luchar contra las máquinas que aún funcionan, una de las cuales es una bestia mecanizada. En las tinieblas que preceden al amanecer, Número 9 debe reagrupar y animar a los suyos para hacer frente común al peligro inminente.
Además de exhibir un asombroso estilo de gran brillantez visual, NÚMERO 9 explora con dinamismo las ganas de vivir, la fuerza del grupo, y cómo un ser puede llegar a cambiar el mundo.