故事发生在《终结者II》10年之后，当年T-800战胜T-1000，救出人类未来领袖约翰·康纳（尼克·斯塔尔 饰），摧毁天网系统，阻止了世界末日到来。现在，失去母亲的约翰已经22岁，为了暗中监视天网动态，他隐姓埋名当起了"隐形人"，只有他的女友凯特（克莱尔·丹妮斯 饰）才知道他的真实身份。但最终天网还是查到了他的下落，并且立刻派出最新型的T-X"终结者"（克莉丝汀娜·罗根 饰）执行刺杀任务，人类也同样送回了将T-800改良后的新型机器人T-850（阿诺·施瓦辛格 饰）保护约翰。

但是，最新型终结者Ｔ-Ｘ具有前所未见的战斗能力与自我修复功能，远远超出了当年的液态金属T-1000。有着美丽外表的她身手矫健、下手毒辣，可以随心所欲地变成各种形态，甚至还能以能量形式存在于各种网络之间。更要命的是，她还能操纵其它机器和机器人，甚至T-800也无法逃脱她的控制。

天网不仅派出了T-X来刺杀人类的未来领袖约翰，而且还派出了他们属下众多的机器人发起了对人类的总攻。更严重的是，天网系统正努力进化到自觉式人工智能程度，并控制了全世界所有的电脑系统，进而发动核战争摧毁人类。年青的约翰必须联合T-800，对抗天网派出的各种机器人，拯救人类的现在和未来……