21세기 초, 군사방위 프로그램으로 제작된 네트워크 ‘스카이넷’은 자각력이 생겨 인류가 자신을 파괴할 것을 예상하고 인류에 대한 핵공격을 감행했다. 살아남은 자들은 이를 ‘심판의 날’이라 불렀으며, 처참하게 파괴된 2018년 지구에는 기계 군단과 인간 저항군 사이의 악몽 같은 전쟁이 계속되고 있었다. 스카이넷은 인류 말살을 위해 터미네이터 군단을 만들었고, 보다 치명적인 터미네이터를 만들기 위해 인간들을 잡아다 생체 실험에 이용하고 있었다.

인간 저항군의 리더인 ‘존 코너’(크리스찬 베일)는 기계군단의 비밀을 캐기 위해 저항군 조직과 함께 ‘스카이넷’이 만든 실험 기지에 침투하지만, ‘스카이넷’이 만들어 놓은 함정으로 인해 부대원들을 모두 잃게 된다. 한편 ‘존 코너’의 침입으로 혼란해진 틈을 타 그 곳에 붙잡혀 있었던 ‘마커스 라이트’(샘 워싱턴)는 가까스로 실험기지에서 탈출하지만 그는 이미 과거의 모든 기억을 잃어버린 상태. ‘마커스’는 흩어진 저항군 중 한 명인 ‘카일 리스’(안톤 옐친)를 만나 위험에서 벗어나지만, ‘카일 리스’는 곧 인간을 사냥하는 터미네이터 ‘하베스터’에게 잡혀 ‘스카이넷’의 본부로 끌려가고 만다.

한편 혼자 남게 된 ‘마커스’는 전투에서 불시착한 인간 저항군의 여전사 ‘블레어’(문 블러드굿)를 도와준 것을 계기로 인간 저항군의 캠프로 가게 되고 ‘존 코너’와 운명적으로 만나게 된다!

‘존 코너’는 ‘마커스’의 정체를 의심하고 그를 심문하던 중, 그에게서 그토록 찾아헤메던 ‘카일 리스’의 행방을 듣게된다. ‘카일 리스’는 어머니 ‘사라 코너’를 지키기 위해 미래에서 과거로 보내졌던 바로 그의 아버지 이름이었던 것! ‘존 코너’는 ‘카일 리스’를 구하지 못하면 인류의 미래에 커다란 비극이 닥칠 것이라는 어머니의 경고에 따라 ‘스카이넷’을 파괴하고 ‘카일 리스’를 구하기 위해 ‘마커스’와 손을 잡는다. 하지만 ‘스카이넷’에 잠입한 그들은 인류의 생존을 위협하는 충격적인 ‘비밀’과 마주하게 되는데..