自从1995年约翰康纳(John Connor，尼克-斯塔尔饰，Nick Stahl)和他的母亲莎拉康纳在来自未来人类阵营的T-800终结者机器人的帮助下，打败T-1000液态金属终结者机器人并毁灭了全部“天网技术”之后，世界末日被阻止了。时光转眼到了1997年8月29日——终结者T-800预言中的审判日，世界安然无恙。
自从母亲莎拉康纳因白血病去世，20岁的约翰-康纳过着颠沛流离的生活——没有家，没有信用卡，没有电话，也没有工作，甚至没有能证明他存在的记录。他不知道世界是否真的安全了，天网是否真的已经被毁灭。世界没有朝向好的方向发展，T-800预言中的发生在1997年的人类毁灭只不过被延迟了。2004年7月24日，天网将女终结者T-X(克莉丝汀娜-洛肯饰，Kristanna Loken)送到了这一天。这一天正是审判日。
T-X是未来天网制造的最新超级智能机器人杀手。她的任务是前来绞杀约翰康纳以及未来人类的另外一位领袖——康纳的妻子凯特-布鲁斯特(Kate Brewster，克莱尔-丹尼斯饰，Claire Danes)。T-X虽然外表象人类一样美丽无比，但却是个无情的杀手。而且比她前面任何一个终结者都要能量更大、更危险、更具毁灭性。同一时刻另一个终结者机器人带着他的使命来到了这里。T-850(阿诺德-施瓦辛格饰，Arnold Schwarzenegger)由于在2032年刺杀约翰康纳而被人类捕获，改造之后被送至2004年7月24日以保护青年康纳和还仅仅是一个普通兽医的凯特-布鲁斯特。
凯特-布鲁斯特的父亲正是天网的总指挥。在经过一系列追杀和逃亡之后，凯特-布鲁斯特决定帮助约翰-康纳说服父亲停止启动天网。但是当两人来到天网研究基地时为时已晚，天网由于病毒的攻击提前启动，机器人暴动了。后悔莫及的布鲁斯特将军（凯特-布鲁斯特的父亲）告诉约翰-康纳和凯特-布鲁斯特若想关闭天网必须去一个已经被废弃的旧基地后死去了。康纳和布鲁斯特的下一个目的地是废弃基地。
为了阻止康纳和布鲁斯特，T-X阴魂不散地追踪而来。T-850牺牲自己将T-X炸碎。最终T-X被旧基地的大门压成了废铁。
虽然战胜了T-X，约翰-康纳和凯特-布鲁斯特也发现距离离世界末日——审判日时间的爆发已经已经所剩无几。而且更令人发狂的是，这个废弃基地中根本没有布鲁斯特将军提到的天网控制系统！布鲁斯特将军之所以告诉康纳二人来到这里只是因为这个基地拥有抗核打击的作用，能够保护康纳和凯特-布鲁斯特。
外面的世界一片混乱。天网开始向全世界发射核弹头，蘑菇云像烟花一样绽放在地球的表面。废弃基地中的两个年轻人欲哭无泪。约翰-康纳拿起断断续续接收着来自世界各地的人类幸存者求救信号的无线电。这一刻，人类历史上最伟大的英雄诞生了。约翰-康纳将领导人类走出黑暗的未来。
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