随着第二集最后那个“to be concluded”的字幕，所有观众的心都被吊在了万丈悬崖边上：尼奥到底怎么啦？他怎么可能在“真实”世界里毁灭电子章鱼？他又如何能“感觉”到机器？已经侵入了班恩(Bane)大脑的史密斯又会对身处昏迷中的尼奥开展什么行动？ 事实上，尼奥的身体在真实世界的飞船上处于昏迷状态，他的思维却被困在一个“中空”地带：那里既不是母体，也不是机器占领的真实世界。这个地方叫Mobile Avenue Train Station，显然是个火车站，不过是梅罗纹奇的势力范围(因此不受常规母体程序控制)。尼奥醒来时遇到了一个神秘的小女孩和她的父母，还碰见了“火车人”(The Trainman)，后者控制了该车站所有母体与机器世界之间的交通。 与此同时，在真实世界的墨菲斯、翠妮蒂与Logos号飞船的奈奥比会合了，当然，还有那位被洗脑夺体的班恩。翠妮蒂他们从“先知”那里知道了尼奥的现状，在守护天使的带领下，去找梅罗纹奇要人，喜欢享受的阿梅那时正和佩瑟芬在他管辖的地狱酒吧欣赏SM的氛围，他当然不肯交出尼奥，因此大家少不了一场激战。在佩瑟芬的帮助下，翠妮蒂他们终于将尼奥带回现实。 在最后一次和“先知”交谈之后，尼奥明白了他的使命。从这开始，故事就分两条线进行。一条是墨菲斯和奈奥比杀回锡安，和基地的人们共同对抗机器大军的进攻；另一条线是翠妮蒂不愿意和尼奥分开，决心放弃一切和尼奥共同前往机器S世界的圣地——01城。奈奥比虽然不相信先知的话，但她开始相信尼奥，把自己那艘最快的logos号飞船借给了尼奥和翠妮蒂，而自己和墨菲斯乘坐Hammer号回锡安。没想到偷偷醒来的班恩溜进了Logos号，一场激战过后，班恩的肉身死去，尼奥身受重伤。历经重重机器大军的堵截，尼奥终于抵达01城。再说锡安城这边，人类已决定展开最后的自救行动，他们组织起了所有的APU(Armored Personal Units单兵作战机甲)，和250000电子章鱼以及大型钻探机器展开了决斗。 尼奥在01城终于得以面对“机器大帝”(Deus Ex Machina)——机器世界的真正主宰，双方展开了谈判并达成了协议。与此同时，史密斯的能力又扩充了，凡属尼奥接触过的信息他都能分享。他找到了先知的藏身之处，并将她复制成自己，在这个过程中，他也了解到了尼奥的使命。可是他不怕，并开始在母体中无限复制自己，系统危在旦夕。 和“机器大帝”达成协议的尼奥被送进了母体，而史密斯正在那里等他，两人展开了一场只属于“超人”的决斗。机器与人类，两个世界的命运都取决于这一战的结果，而最后结果是。