天網計劃是一個旨在防禦飛彈攻擊的計算機程式，于1997年8月29日啟動。然而，該程式在自我意識的驅動下，開始對人類發動核戰争，導緻全球30億人喪生。從那時起，人類隻能在陰影中苟延殘喘。幸存下來的人類被改造成可以變身成人類的機器人，被稱為“終結者”。
在一條地下通道裡，反抗軍領袖約翰康納成功救出了一個名叫凱爾的小男孩。從那時起，凱爾就一直跟随約翰，成為他的得力助手，共同對抗天網。
在一個晚上，人們在反抗軍約翰的帶領下，襲擊了“天網”總部，成功摧毀了主機。所有終結者機器人被關閉，而一個全身赤裸的男子出現在垃圾場中。這是天網被關閉前派出的終極武器——T800。随後，人們在天網基地中找到了一台時光機。天網知道自己已經輸了，便利用時光機将T800傳送回1984年，試圖殺害人類領袖約翰康納的母親來改寫曆史。
于是，約翰決定派遣凱爾回到1984年保護自己的母親莎拉康納，在場的人們紛紛申請出戰。最終，他選擇了凱爾，因為他已經知道凱爾是他的父親。于是，凱爾在大家的注視下，開始了穿越時空的旅程。
在穿越過程中，凱爾看到了天網襲擊了約翰，随後他的腦海中出現了從未有過的記憶。他看到了天網系統的誕生，看到一個女人摸着自己的手，讓他不要回頭。畫面一轉，T800遇到了一群古惑仔，想要搶走他們的衣服。
此時，T2-500向T800走去，拿起S686向他開火。兩個機器人開始激烈搏鬥。T800非常強大，很快就将T200打翻在地。這時，一名狙擊手瞄準T800的電池，一槍将其打穿。
穿越回來的約翰正在搶劫流浪漢的衣服，結果被一名佛波勒發現。約翰躲在箱子後面，搶過佛波勒的手槍，并詢問今天是幾月幾号。随後，佛波勒的手變成一把鋼刀，向凱爾砍去。凱爾連忙開槍，但液态金屬制造的終結者踢1000完全不怕子彈。凱爾跑進一家商場，撞見了兩名佛波勒，還沒來得及解釋，就被他們綁架了。T1000從鏡子中走出。
接着，一名佛波勒被T1000送去領了便當。同伴們看到後，立即開槍射擊，但子彈無法傷害T1000。一輛卡車闖了進來，T1000被撞倒在地。這個女人就是約翰的母親莎拉康納。令他驚訝的是，這個時間線的莎拉已經知道天網和終結者，還知道他穿越到1984年就會打開後備箱。
約翰看到T1000拿起大炮，便向他射擊，但隻打中了車門。
車子躲避不及撞在消防栓上，凱爾手持大炮下車，試圖幹掉T1000，結果反被T1000敲暈并扔上車。
凱爾醒來後向二百五介紹自己，莎拉解釋說，她在九歲那年失去了父母，是替二百五把她撫養長大的。在深入交流中，凱爾發現自己穿越到了另一個時間線。此時，T1000駕駛警車追了上來，一頭撞破擋風玻璃，随後化身為液态穿透車體，朝他們跳過來。
在凱爾和莎拉的不懈努力下，成功消滅了T1000，但他們并不知道，T1000因為高溫又重新融合在一起。