故事發生在《終結者2》10年之后，約翰·康納（尼克·斯塔爾飾）已成長為22歲的流浪者，在母親去世后刻意回避命運。隨著"天網"第三次啟動時空計劃，高度進化的T-X終結者（克里斯塔娜·洛肯飾）被派往清除人類領袖康納及其副手凱特·布魯斯特（克萊爾·丹尼斯飾）。后者作為軍方系統主管之女，其獸醫身份的掩護在T-X精準獵殺中被徹底撕裂。配備全新液態金屬武器的T-X對二人展開致命追擊時，升級版T-850終結者（阿諾·施瓦辛格飾）突然現身保護。在追蹤與對抗中，三人組意外發現"天網"已通過病毒入侵美國軍方防御系統，全球核打擊即將啟動。盡管康納始終抗拒領袖宿命，但T-850提供的未來記憶數據揭示了不可逆轉的時間線悖論。最終決戰中，T-850與T-X同歸于盡，成功摧毀"天網"主服務器并延遲審判日爆發。但核彈陰影仍籠罩全球，康納在廢墟中接過生存者名冊，與凱特駕駛直升機駛向輻射云籠罩的黎明。