天網在獲得自主意識后發動全球屠殺，人類領袖約翰·康納（杰森·克拉克飾）在抵抗戰爭中派遣戰士凱爾·里斯（杰·科特尼飾）穿越至1984年，保護自己的母親莎拉（艾米莉亞·克拉克飾）免遭被派回的終結者獵殺。凱爾落地即遭遇液態金屬終結者T-1000（李炳憲飾）追殺，而年邁的賽博格"老爹"（阿諾·施瓦辛格飾）與攜帶反終結者裝備長大的莎拉聯手擊潰了初代T-800。三人發現時空悖論導致歷史發生偏移后，利用時間機器核心裝置重啟坐標，攜帶關鍵數據穿越至2017年圣何塞。在摧毀天網核心研發設施的過程中，凱爾通過量子糾纏效應獲得未來記憶殘片，最終與莎拉成功引爆實驗室阻止了天網覺醒。行動觸發的時間震蕩形成全新平行時空，凱爾在臨終前通過基因檢測確認自己正是約翰的生身父親。