影片承接《黑客帝国3：矩阵革命》的故事，尼奥（基努·里维斯 Keanu Reeves 饰）和崔妮蒂（凯瑞-安·莫斯 Carrie-Anne Moss 饰）联手归来，继续与AI世界的机械大军展开对抗。在这里，一个是矩阵创造出来，周而复始的日常世界，另一个则是隐藏其后，真实的人类世界。为了弄清楚自己所处的“现实”究竟是真是假，尼奥不得不再次做出选择。

《终结者2：审判日》发生的27年后，由于未来天网派来T-800成功杀死年幼的约翰，以致令未来产生变化，一个全新进化的液态金属终结者从未来派出，目的是追杀持有关键讯息的丹妮·拉莫斯、半生化人葛蕾丝和她的朋友。这使莎拉·康纳以及成功杀死约翰的T800终结者前来帮助她们一行人，以共同为了人类的未来而战。

故事发生在2045年，虚拟现实技术已经渗透到了人类生活的每一个角落。詹姆斯哈利迪（马克·里朗斯 Mark Rylance 饰）一手建造了名为“绿洲”的虚拟现实游戏世界，临终前，他宣布自己在游戏中设置了一个彩蛋，找到这枚彩蛋的人即可成为绿洲的继承人。要找到这枚彩蛋，必须先获得三把钥匙，而寻找钥匙的线索就隐藏在詹姆斯的过往之中。
韦德（泰尔·谢里丹 Tye Sheridan 饰）、艾奇（丽娜·维特 Lena Waithe 饰）、大东（森崎温 饰）和修（赵家正 饰）是游戏中的好友，和之后遇见的阿尔忒弥斯（奥利维亚·库克 Olivia Cooke 饰）一起，五人踏上了寻找彩蛋的征程。他们所要对抗的，是名为诺兰索伦托（本·门德尔森 Ben Mendelsohn 饰）的大资本家。

第二集中，尼奥（基努·里维斯 Keanu Reeves 饰）没有能从内部摧毁“母体”，他的身体在真实世界的飞船上陷于昏迷，思想却被困在介于“母体”和真实世界的中间地带，这个地方由“火车人”控制。墨菲斯（劳伦斯·菲什伯恩 Laurence Fishburne 饰）和崔妮蒂（凯瑞-安·莫斯 Carrie-Anne Moss 饰）等人知道了尼奥的情况，在守护天使的带领下， 找到了“火车人”的控制者梅罗纹奇，经过一番激斗，将尼奥救了出来。
此时，电子乌贼部队对锡安发起了猛烈的攻击，人类组织所有机甲战士展开顽强的抵抗，形势危在旦夕；尼奥和崔妮蒂驾驶了一艘飞船克服重重困难，到达机器城市，尼奥终于见到了机器世界的统治者“机器大帝”，双方谈判并达成了协议：尼奥除掉不受“母体”控制的史密斯，以换取锡安的和平。
在“母体”中，尼奥和史密斯展开了关系人类生死存亡的最后决斗。

上一部结尾，尼奥（基奴李维斯 饰）终于意识到自己的能力和使命，中弹复活后，变成了无所不能的“救世主”，他和女友崔妮蒂（凯莉·安·摩丝 饰），舰长墨菲斯（劳伦斯·菲什伯恩 饰）回到了人类的基地锡安，受到人们的热烈欢迎。
此时，“母体”决定先下手为强，派出了两万五千只电子乌贼攻击锡安基地；墨菲斯、尼奥和崔妮蒂则再次进入“母体”，寻找“制钥者”，准备从内部破坏；而本该被尼奥消灭的特勤史密斯似乎出了点问题，脱离了“母体”的控制，拥有可怕的复制能力，阻碍尼奥他们的行动。

不久的将来，网络黑客尼奥对这个看似正常的现实世界产生了怀疑。他结识了黑客崔妮蒂，并见到了黑客组织的首领墨菲斯。墨菲斯告诉他，现实世界其实是由一个名叫“母体”的计算机人工智能系统控制，人们就像他们饲养的动物，没有自由和思想，而尼奥就是能够拯救人类的救世主。可是，救赎之路从来都不会一帆风顺，到底哪里才是真实的世界？如何才能打败那些超人一样的特勤？尼奥是不是人类的希望？这是黑客的帝国，程序和代码欢迎大家的到来。

未来世界，水资源短缺引发了全球大战。人们相互厮杀，争夺有限的资源，地球变成了血腥的杀戮战场。面容恐怖的不死乔在戈壁山谷建立了难以撼动的强大武装王国，他手下的战郎驾驶装备尖端武器的战车四下抢掠，杀伐无度，甚至将自己的孩子打造成战争机器。在最近一次行动中，不死乔的得力战将弗瑞奥萨（查理兹·塞隆 饰）带着生育者们叛逃，这令不死乔恼羞成怒，发誓要追回生育者。经历了激烈的追逐战和摧毁力极强的沙尘暴，弗瑞奥萨和作为血主的麦克斯（汤姆·哈迪 Tom Hardy 饰）被迫上路，而身后不仅有不死乔的追兵，还有汽油镇、子弹农场的重兵追逐。
末世战争，全面爆发……