《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。

天网拥有独立意识后，对创造它的人类展开血腥屠杀。此后的岁月，约翰·康纳（杰森·克拉科 Jason Clarke 饰）率领战友和天网的机器人大军进行着旷日持久的战争。在关键的一次战役过后，天网将终结者派往1984年的洛杉矶，企图杀害约翰的妈妈莎拉（艾米莉亚·克拉克 Emilia Clarke 饰）。而约翰则将自己最亲密的战友——同时也是他的生身父亲凯尔·里斯（杰·科特尼 Jai Courtney 饰）派往过去。凯尔刚刚抵达洛杉矶便遭到液态金属终结者T-1000（李秉宪 饰）的袭击。与此同时，“老爹”（阿诺·施瓦辛格 Arnold Schwarzenegger 饰）则与莎拉联手干掉了终结者T-800（阿诺·施瓦辛格 Arnold Schwarzenegger 饰）。
似乎过去的事情悄然改变，凯尔则从时间旅行中的遭遇得到灵感，与莎拉穿越来至2017年，尝试阻止天网的诞生……

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。

故事发生在《终结者2》10年之后，终结者又回来了。
此时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，不愿意面对即将到来的命运。但是，命运并不以他的意志为转移，“天网”经历了两个失败之后，派出了更为先进的T-X终结者（Kristanna Loken 饰）来追杀他，人类也同样送回了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，她本人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，人类将首当其冲的被消灭。
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，他们将又一次改变人类的命运。

从未来回到九十年代的机器人T-800，他的任务是保护长大后会成为领袖的小帅哥约翰·康纳和他的母亲莎拉。而比他先进的T-1000也不露声色地追杀过来，两位正邪机器人为相同的目标展开一场生死搏斗。这次，机器人主脑者派出最先进的T-1000型终结者，回到约翰·康纳的童年时期，预备杀死约翰，使未来人类世界群龙无首。约翰·康纳得知消息，立即派另一名终结者乘坐时光倒流机，赶回现代，保卫童年时期的自己。在现代，约翰与养父母同住。生母莎拉因言行怪异，且攻击造成机器人猖厥的电脑公司，因而被当成精神病患，住进病院。T-1000型杀害了约翰的养父母，然后变成养父母外形欲诱杀约翰，幸好终结者赶到，救出约翰。T-1000的另一个目标是莎拉，不料亦遭到终结者和约翰的破坏。莎拉和约翰决意消灭制造机器主宰者和T-1000型的塞柏电脑公司，一阵恶斗后，电脑公司被炸成一片火海。然而，T-1000型仍穷追不舍，将莎拉等人逼入钢铁厂，并将终结者打成重伤。

公元2029年，经过核毁灭的地球已由电脑“天网”统治，人类几乎被消灭殆尽。剩下的的人类在领袖约翰康纳的领导下与电脑英勇作战，并扭转了局面。“天网”为了改变这一切，制造了时光逆转装置，派遣终结者人型机械人T-800回到1984年,去杀死约翰的母亲莎拉康纳，以阻止约翰的诞生。约翰发现了一这阴谋，攻占了实验室， 战士卡尔雷斯自愿通过时间通道回到1984年保护莎拉。T-800是个有肌肉，血液等人类特性的机械战士。它来到洛杉矶，按照电话簿追杀名叫莎拉康纳的女人，但真正的那个莎拉却在危急关头被卡尔雷斯所救。但是警察却将雷斯作为恐怖分子抓了起来。没有人相信雷斯所说的关于未来世界和战争的话，认为他是个疯子。T-800闯进了警局，警察根本不堪一击。所幸雷斯逃了出来，把莎拉带到了郊外，面对事实的经历，莎拉终于相信了雷斯。在汽车旅馆中，雷斯向莎拉吐露了长久的爱意，两人拥抱着上床，原来雷斯就是约翰的父亲。T-800找到了他们，雷斯与莎拉带着做好的炸药管逃走。在追逐中，雷斯机智地炸毁了T-800驾驶的油罐车，T-800被烈火吞没了，但雷斯却受了重伤。然而，T-800并未被毁灭，它的人类外壳被烧去了，露出了由微电脑控制的合金机械骨骼。T-800追杀两人进了工厂，雷斯舍命用最后一枚炸药毁掉了T-800的下半身，但残余的T-800仍然不忘追杀莎拉。最终，莎拉用计将T-800困在液压机里，将它压成了一堆废铁。半年后，未来的领袖就要出世了。莎拉继承了雷斯的遗志，为培养儿子做各种准备。前方的路还很长……