故事發生在《終結者2》10年之後，終結者又回來了。
此時John Connor(Nick Stahl) 飾)已經22歲，他的母親去世後，他過著隱姓埋名的生活，不願意面對即將到來的命運。但是，命運並不以他的意志爲轉移，「天網」經歷了兩個失敗之後，派出了更爲先進的T-X終結者（Kristanna Loken 飾）來追殺他，人類也同樣送回了T-800改良後的終結者T-850（Arnold Schwarzenegger飾）保護John。
John巧遇了兒時的夥伴，獸醫Kate Brewster（Claire Danes 飾)，Kate的父親是美國軍方「天網」系統的負責人，她本人也將成爲人類叛軍的副統領，理所當然成了T-X的打擊對象。二人在T-850的保護下，開始了逃亡之路。
同時，美國電腦系統病毒入侵，人類束手無策之下準備啓用「天網」，一旦「天網」接管美國軍方防禦系統，人類將首當其衝的被消滅。
面對已經發生的未來，John Connor和Kate Brewster決定奮起反抗，在T-850的幫助下，他們將又一次改變人類的命運。