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。

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……