1999年8月24日，《终结者2》的故事发生两年后。

Sarah Connor (Lena Headey扮演) 和儿子John (Thomas Dekker扮演) 几经周折，终于在内布拉斯加州的小镇West Fork安顿下来。Sarah将自己的姓更改为Reese。为了掩人耳目，她甚至还打算与人谈婚论嫁。Sarah的未婚夫Daniels（Tim Guinee扮演）是个老实巴交的好人，对Sarah母子的秘密完全不知情，只想快点把婚事办妥，然后一家人过平静快乐的生活。但是Sarah仍然念念不忘自己的 "使命" ，在睡梦中总是被世界末日的恐怖情形惊醒－－这么多年来，她的内心一直无法得到真正的安宁。

Sarah预感到不祥的事情就要发生，于是带着心有不甘的儿子John再次踏上逃亡之路。这一次，他们来到了新墨西哥州的红谷镇（Red Valley）。这是个质朴得有些土气的地方，人迹罕至，完全没有大城市喧嚣的影子。

然而，Daniels对Sarah母子的不辞而别痛苦不已。伤心之余，他决定向警方报告这起人口失踪案。接待他的并不是普通的警察，而是一个叫做James Ellison（Richard T. Jones扮演）的FBI特工。James将Sarah的 "真实情况" 透露给Daniels－－Sarah是一个严重的精神病患者，她总是幻想来自未来的机器人会杀害她的儿子。此外，她对科学家Miles Dyson的死和Cyberdine系统遭到破坏负有不可推卸的责任。Daniels和James都不知道，这份《人口失踪报告》已经引起了一名红眼机器杀手的注意，它等待Sarah出现已经等了很久了。

红谷镇，刚刚适应环境的John结识了本地姑娘Cameron Phillips (Summer Glau扮演) 和代课教师Cromartie (Owain Yeoman)。John和他们相处融洽，原本以为可以从此安安心心过日子，却没想到这再次成为他生活的转折点－－Cromartie竟然是一个终结者机器人，在课堂上当着众人的面朝John开火。为了保护John，Cameron挺身而出，不幸中弹……奇迹发生了，"身负重伤" 的Cameron竟站了起来……原来，她也是一个终结者机器人，她的任务就是保护John。

刺杀John的终结者Cromartie被Sarah打落的脑袋通过传送来到2007年，并发出信号启动了被人类视作废物丢弃的身体，重新接合在了一起。与此同时，Sarah为了伪造新身份带着Cameron四处奔波。Sarah从Cameron口中得知，自己将会死于癌症，Cameron正是为了帮助Sarah跳过死亡才带他们来到了2007年。

终结者Cromartie为了重获人类外貌利用生物学家Fleming后将其杀害。FBI开始参与调查近日发生的多起杀人事件。Sarah为查出天网的制造者拜访了Miles Dyson的遗孀，得知曾在赛博坦实习的Andy Goode有重大嫌疑。Andy正在用业余时间研制象棋机器人Turk。虽然不确定Turk是否会成为天网，Sarah仍然趁着Andy外出的时候纵火烧了他的屋子。

通过整容手术Cromartie终于重获人类外貌，然而整容室的监控却将他拍了下来。FBI将监控所拍之人Laszlo抓来盘问却不得要领，Cromartie随后杀死Laszlo将其取代。Cameron查看新闻录像的时后发现Cromartie的脑袋也穿越来到2007年，欲阻截Cromartie的Sarah等人却获悉天网派出终结者来到战前储备钽金属以备战时生产终结者之需的计划，John提议加以破坏。

Andy又重新制造了Turk，并将参加一个国际象棋锦标赛，同日本的象棋机器人比赛。Sarah获得邀请前往观战。Turk输掉了，Andy也在休息室遭到枪击身亡，Turk则不翼而飞。Sarah在得知作为嫌疑人被抓获的可疑男子是来自未来的抵抗军成员后前去探访，却得知他是John父亲Kyle Reese的哥哥Derek Reese。Derek声称自己没枪杀Andy。Sarah、John、Cameron劫下囚车救出了Derek，又与一名刺杀抵抗军的T-888展开激战，虽然最终Cameron取出了T-888的芯片将其制服，但是Derek也受到T-888枪击生命垂危。Sarah和John为要不要为救Derek冒险发生冲突，情急之中Sarah告诉John，Derek是他的伯父。FBI来到劫车现场调查，Ellison探员发现了遗落在现场的T-888的手。

为救Derek，John带回了Sarah的前未婚夫——救护队员Charlie，一番抢救后终于保住了Derek的性命。Derek在昏迷中回忆着未来发生的事情。Andy Goode也正是Derek所杀。Cameron按照Sarah的命令融化掉T-888的身体，却私藏了T-888的芯片。