这是一个未来的世界，天下已经由机器人来操控。机器人想完全占有这个世界，把人类赶尽杀绝，然而却遇到了顽强抵抗的人类精英康纳。于是，终结者机器人T-800（阿诺•施瓦辛格 Arnold Schwarzenegger饰）受命回到1984年，杀害康纳母亲莎拉（琳达•汉密尔顿 Linda Hamilton 饰），目的是灭掉康纳的出生。 康纳得知后，火速派战士雷斯（迈克尔•比恩 Michael Biehn 饰）前往救援。雷斯来到1984年的洛杉矶，及时搭救了被机器人追杀的莎拉——她当时还是一个大学生。然而，人们把雷斯当成疯子，不相信未来机器人统治世界。 直到莎拉又一次遭到机器人追击，她才相信了这一切。奔走中她和雷斯相爱，怀上了未来的康纳，而雷斯也陷入和机器人的苦斗当中。人类世界能否从因为这场斗争改变原来的噩运？
上一部中，超级电脑“天网”阻止人类抵抗领袖John Connor诞生的行动失败，时隔13年后，在“审判日”到来之前，“天网”派出了更加先进的生化机器人T-1000（Robert Patrick 饰）从公元前2029年回到洛杉矶追杀已经长大的John Connor，与此同时，John也派出了机器人T-800 Model 101（Arnold Schwarzenegger 饰）回去保护年幼的自己。
此时，Sarah Connor（Linda Hamilton 饰）因为怪异的言行而住进了精神疗养院，John Connor（Edward Furlong 饰）则和养父母住在一起，行为叛逆。T-800 Model 101找到他们，在逃避T-1000追杀过程中，获得了二人的信任。
为了改变未来的历史，挽救人类的命运，Sarah Connor、John Connor和T-800 Model 101找到了“天网”之父，Dr. Peter Silberman（Earl Boen 饰），说服他销毁一切有关“天网”的资料，此时，警察和T-1000同时赶来，他们陷入了多方争斗中。
2018年，天网系统与人类的战争使世界陷入了末世般的境况，反抗军精神领袖约翰·康纳（克里斯蒂安·贝尔 Christian Bale 饰）带队执行一次任务的过程中获得了战胜天网的新思路，而天网系统适时推出了新的目标排名，康纳位居次席，榜首上康纳此时尚年青的父亲凯尔·瑞斯赫 然在列。与此同时，一名遗忘了自身过去经历的强壮男子马库斯（萨姆·沃辛顿 Sam Worthington 饰）出现在洛杉矶的废墟中，他与反抗军战士瑞斯偶然结识，并组队前往反抗军总部，不料途中遭机械人袭击，瑞斯被俘。落单的马库斯经由反抗军女战士布莱尔引路，迎来了与康纳命中注定的相遇，但人与机械的对立让康纳不得不视对方为敌人……
瑞斯在天网中心生死未卜，同时反抗军高层不肯推迟强行进攻计划，留给康纳的时间不再充裕，他只能选择进行一场赌上性命与荣誉的潜入行动。
