218年，距離那場滅絕了全球絕大部分人類的災難“審判日”，已經過去了十余年，而人類與機器的斗爭也一直在繼續，始終未能分出勝負。人類在日復一日的地下抗爭中逐漸的磨平了斗志，內部開始產生分歧，有人悲哀的看不到勝利的希望，而有人想在這場抗爭里獲得滿足一己私欲的權力。這時候，救世軍的一員，一位名叫約翰·康納（克里斯蒂安·貝爾飾）的軍人開始嶄露頭角，他擁有著一個極為特殊的身份，他的家庭，他的母親和父親都為阻止天網和審判日的降臨而付出了自己的生命，而他的父親來自未來，也就是現在，才出生不久……面對著現實的種種矛盾，約翰·康納心里明白，他若按照歷史的正常軌跡發展，注定會成為救世軍的領袖，而這場戰爭也最終會取得勝利。但面對曠日持久的戰爭，看不到結束的希望，約翰·康納的內心也在漸漸動搖：究竟歷史軌跡會否按照如初那樣發展呢？在這被改變了無數次的歷史當中，有沒有可能已經因為某些差錯而使得歷史的軌跡已經朝著另外一個方向發展，只是自己根本察覺不到？懷著種種對未來的疑慮，約翰·康納繼續戰斗著。天網研制出了更多數量和不同種類的機器人，救世軍面臨的考驗更加嚴峻。這時候，一個名叫馬庫斯·懷特（薩姆·沃辛頓飾）的人走進了救世軍當中，他不記得自己是誰，也沒有人知道他來自哪里，目的是什么，而馬庫斯唯一的記憶就是自己曾經是一名死囚。在馬庫斯身上，約翰·康納發現了一些訊息，這些訊息與過去、現在、未來都有關系，進一步，約翰·康納發現，馬庫斯此人將是左右這場戰爭的關鍵，通過馬庫斯，約翰·康納潛入了天網的核心地帶，在那里，他發現了一個可怕的秘密，這個秘密可能會導致整個人類徹底毀滅……