故事发生在《终结者2》10年之后,终结者又回来了。
此时John Connor已经22岁,他的母亲去世后,他过着隐姓埋名的生活,不愿意面对即将到来的命运。但是,命运并不以他的意志为转移,“天网”经历了两个失败之后,派出了更为先进的T-X终结者来追杀他,人类也同样送回了T-800改良后的终结者T-850保护John。
John巧遇了儿时的伙伴,兽医Kate Brewster,Kate的父亲是美国军方“天网”系统的负责人,她本人也将成为人类叛军的副统领,理所当然成了T-X的打击对象。二人在T-850的保护下,开始了逃亡之路。
同时,美国电脑系统病毒入侵,人类束手无策之下准备启用“天网”,一旦“天网”接管美国军方防御系统,人类将首当其冲的被消灭。
面对已经发生的未来,John Connor和Kate Brewster决定奋起反抗,在T-850的帮助下,他们将又一次改变人类的命运。。一群艺术品窃贼寻找一幅被盗的19世纪画作,但任务因爱情和谋杀变得复杂。前恋人克洛伊·图舍尔和达伦·伊金拉成为对手,独立追求这幅画,导致欺骗和背叛。联邦调查局的逼近使情况更加混乱,多方争夺画作,最终双方面临失去一切的风险。。