Действие происходит спустя десять лет после событий прошлой части. После взрыва здания «Кибердайн Системс» будущее изменилось и Судный день не наступил. Но выросший Джон Коннор продолжает ощущать опасность и ведёт полуподпольную жизнь. Воспитанный как будущий лидер сопротивления и внезапно потерявший цель жизни, он не может найти себя в мирной действительности. Он не знает, что Скайнет уже создан в военной лаборатории и что он готовит уничтожение человечества и уже начал атаку на людей — запустил в интернет опасный компьютерный вирус. В 2004 год вновь прибывают двое терминаторов. Скайнет, не сумев вычислить Джона, приказывает убить его ближайших соратников. Эта миссия поручена новой модели — Терминатрикс (Т-Х). Она имеет внешность молодой девушки и представляет собой промежуточную стадию между традиционными стальными роботами и роботами из жидкого металла. По сравнению с Т-1000 она более уязвима, но при этом не подвержена баллистическому шоку, то есть ни на мгновение не выходит из строя при попадании пуль, к тому же обладает встроенным в ее тело оружием (терминаторы других типов вынуждены добывать оружие «в бою»). Ей противостоит посланный Сопротивлением слегка модернизированный терминатор модели 850 серии 101. По чистой случайности Джон встречается с одним из фигурантов списка Т-Х — медсестрой Кейт Брюстер. Её отец, генерал Роберт Брюстер, является куратором проекта Скайнет. В ходе преследования Джон узнаёт, что ядерная война начнётся вечером текущего дня. Джон и Кейт уговаривают терминатора попробовать, как и в прошлый раз, предотвратить катастрофу, но они не успевают.

Скайнет вынуждает паникующих (из-за распространения по всем компьютерным сетям вируса) военных подключить его к глобальной сети, с целью удаления из нее вируса. В момент подключения Скайнет отключает все управляющие его работой терминалы. Одновременно ТХ активирует первых терминаторов и летающих охотников, которые уничтожают весь персонал научно-исследовательского центра, предотвращая тем самым любую возможность отключения Скайнет. Терминатрикс убивает Брюстера, но, смертельно раненый, он успевает передать Кейт и Джону координаты секретной базы. На впорос Джона, что это за база, Брюстер отвечает, что "Это их шанс". ТХ почти настигает беглецов, но уничтожается Терминатором, который взрывает её и себя, вновь жертвуя собой ради спасения людей. В финале картины Джон и Кейт обнаруживают, что база на самом деле является бункером, для защиты от баллистических ракет, законсервированным с времён "холодной войны". Скайнет осуществляет запуск ядерных ракет. Начинается Судный день. Джон и Кейт вынуждены признать, что будущее изменить невозможно. После ядерного удара люди с аналогичных баз выходят на связь, требуя указаний и помощи и спрашивая — «кто главный?» Джон берёт командование на себя.