'강철의 연금술사' 영화는 아메스트리스라는 가상 국가를 배경으로, 어린 형제 에드워드 엘릭과 알폰스 엘릭이 죽은 어머니를 되살리기 위해 금기된 인체 연성을 시도하면서 이야기가 시작된다. 연성 실패의 대가로 에드워드는 왼쪽 다리를, 알폰스는 진리의 문으로 끌려가 영혼만 남게 된다. 에드워드는 동생의 영혼을 갑옷에 정착시키기 위해 자신의 오른팔을 희생하고, 이후 잃어버린 팔다리는 오토메일이라는 기계 의수로 대체된다.
군에 합류한 에드워드는 '강철의 연금술사'라는 칭호를 얻고, 동생의 몸을 되찾기 위한 여정을 시작한다. 둘은 현자의 돌을 찾기 위해 여러 사람들을 만나지만, 그 과정에서 충격적인 진실을 마주하게 된다. 생체 연성 전문가인 쇼우 터커는 자신의 지위를 유지하기 위해 딸과 개를 합성한 키메라를 만들어내고, 연금술사 마르코는 살해당한다. 에드워드는 현자의 돌이 비윤리적으로 인간의 생명을 통해 만들어진다는 것을 알게 되자 큰 충격에 빠진다.
그들은 5번 연구소에서 현자의 돌의 진실을 알게 되고, 인조인간 러스트와 파트너인 하쿠로가 군 내부에서 현자의 돌을 만들어내고 있다는 사실을 밝혀낸다. 하쿠로는 인조인간 군대를 활성화하지만, 결국 인조인간들에게 살해당한다. 러스트는 머스탱에 의해 제거되지만, 그는 에드워드에게 복수를 다짐한다. 에드워드는 현자의 돌을 통해 동생을 되찾을 수 있었지만, 그 방법을 포기하고 새로운 방법을 찾기로 결심한다. 마지막 장면에서는 인조인간 엔비가 살아남아 또 다른 복수를 계획하는 모습을 보여주며 영화가 끝난다.
