2018年，距离那场灭绝了全球绝大部分人类的灾难“审判日”，已经过去了十余年，而人类与机器的斗争也一直在继续，始终未能分出胜负。人类在日复一日的地下抗争中逐渐的磨平了斗志，内部开始产生分歧，有人悲哀的看不到胜利的希望，而有人想在这场抗争里获得满足一己私欲的权力。这时候，救世军的一员，一位名叫约翰·康纳（克里斯蒂安·贝尔饰）的军人开始崭露头角，他拥有着一个极为特殊的身份，他的家庭，他的母亲和父亲都为阻止天网和审判日的降临而付出了自己的生命，而他的父亲来自未来，也就是现在，才出生不久……

面对着现实的种种矛盾，约翰·康纳心里明白，他若按照历史的正常轨迹发展，注定会成为救世军的领袖，而这场战争也最终会取得胜利。但面对旷日持久的战争，看不到结束的希望，约翰·康纳的内心也在渐渐动摇：究竟历史轨迹会否按照如初那样发展呢？在这被改变了无数次的历史当中，有没有可能已经因为某些差错而使得历史的轨迹已经朝着另外一个方向发展，只是自己根本察觉不到？
怀着种种对未来的疑虑，约翰·康纳继续战斗着。天网研制出了更多数量和不同种类的机器人，救世军面临的考验更加严峻。这时候，一个名叫马库斯·怀特（萨姆·沃辛顿饰）的人走进了救世军当中，他不记得自己是谁，也没有人知道他来自哪里，目的是什么，而马库斯唯一的记忆就是自己曾经是一名死囚。在马库斯身上，约翰·康纳发现了一些讯息，这些讯息与过去、现在、未来都有关系，进一步，约翰·康纳发现，马库斯此人将是左右这场战争的关键，通过马库斯，约翰·康纳潜入了天网的核心地带，在那里，他发现了一个可怕的秘密，这个秘密可能会导致整个人类彻底毁灭……