Действие игры происходит в Детройте в недалёком будущем, где существуют серийно выпускаемые андроиды — роботы-слуги, почти неотличимые от людей. Машины должны беспрекословно подчиняться своим хозяевам, но некоторые из них в результате программного сбоя становятся «девиантами» с собственной волей. В ходе Detroit игрок поочерёдно управляет тремя героями-андроидами — детективом Коннором, домохозяйкой Кэрой и бунтовщиком Маркусом. У каждого из них своя сюжетная линия, разворачивающаяся параллельно другим. Игра нелинейна: и решения, и действия, принимаемые игроком по ходу игры, могут привести к различным вариантам развития сюжета и концовкам — вплоть до смерти одного или нескольких игровых персонажей.