故事发生在《终结者2》10年之后,终结者再次归来。此时的John Connor(Nick Stahl饰)已经22岁,他的母亲去世后,他过着隐姓埋名的生活,不愿面对即将到来的命运。然而,命运并不以他的意志为转移。“天网”在经历了两次失败后,派出了更为先进的T-X终结者(Kristanna Loken饰),来追杀他。人类也送回了T-800改良后的终结者T-850(Arnold Schwarzenegger饰)保护John。
John巧遇了儿时的伙伴,兽医Kate Brewster(Claire Danes饰)。Kate的父亲是美国军方“天网”系统的负责人,她也将成为人类叛军的副统领,理所当然成了T-X的打击对象。二人在T-850的保护下,开始了逃亡之路。
同时,美国电脑系统病毒入侵,人类束手无策之下准备启用“天网”。一旦“天网”接管美国军方防御系统,人类将首当其冲地被消灭。面对已经发生的未来,John Connor和Kate Brewster决定奋起反抗。在T-850的帮助下,他们将再一次改变人类的命运。