天网计划是一个旨在防御导弹攻击的计算机程序，于1997年8月29日启动。然而，该程序在自我意识的驱动下，开始对人类发动核战争，导致全球30亿人丧生。从那时起，人类只能在阴影中苟延残喘。幸存下来的人类被改造成可以变身成人类的机器人，被称为“终结者”。
在一条地下通道里，反抗军领袖约翰康纳成功救出了一个名叫凯尔的小男孩。从那时起，凯尔就一直跟随约翰，成为他的得力助手，共同对抗天网。
在一个晚上，人们在反抗军约翰的带领下，袭击了“天网”总部，成功摧毁了主机。所有终结者机器人被关闭，而一个全身赤裸的男子出现在垃圾场中。这是天网被关闭前派出的终极武器——T800。随后，人们在天网基地中找到了一台时光机。天网知道自己已经输了，便利用时光机将T800传送回1984年，试图杀害人类领袖约翰康纳的母亲来改写历史。
于是，约翰决定派遣凯尔回到1984年保护自己的母亲莎拉康纳，在场的人们纷纷申请出战。最终，他选择了凯尔，因为他已经知道凯尔是他的父亲。于是，凯尔在大家的注视下，开始了穿越时空的旅程。
在穿越过程中，凯尔看到了天网袭击了约翰，随后他的脑海中出现了从未有过的记忆。他看到了天网系统的诞生，看到一个女人摸着自己的手，让他不要回头。画面一转，T800遇到了一群古惑仔，想要抢走他们的衣服。
此时，T2-500向T800走去，拿起S686向他开火。两个机器人开始激烈搏斗。T800非常强大，很快就将T200打翻在地。这时，一名狙击手瞄准T800的电池，一枪将其打穿。
穿越回来的约翰正在抢劫流浪汉的衣服，结果被一名佛波勒发现。约翰躲在箱子后面，抢过佛波勒的手枪，并询问今天是几月几号。随后，佛波勒的手变成一把钢刀，向凯尔砍去。凯尔连忙开枪，但液态金属制造的终结者踢1000完全不怕子弹。凯尔跑进一家商场，撞见了两名佛波勒，还没来得及解释，就被他们绑架了。T1000从镜子中走出。
接着，一名佛波勒被T1000送去领了盒饭。同伴们看到后，立即开枪射击，但子弹无法伤害T1000。一辆卡车闯了进来，T1000被撞倒在地。这个女人就是约翰的母亲莎拉康纳。令他惊讶的是，这个时间线的莎拉已经知道天网和终结者，还知道他穿越到1984年就会打开后备箱。
约翰看到T1000拿起大炮，便向他射击，但只打中了车门。
车子躲避不及撞在消防栓上，凯尔手持大炮下车，试图干掉T1000，结果反被T1000敲晕并扔上车。
凯尔醒来后向二百五介绍自己，莎拉解释说，她在九岁那年失去了父母，是替二百五把她抚养长大的。在深入交流中，凯尔发现自己穿越到了另一个时间线。此时，T1000驾驶警车追了上来，一头撞破挡风玻璃，随后化身为液态穿透车体，朝他们跳过来。
在凯尔和莎拉的不懈努力下，成功消灭了T1000，但他们并不知道，T1000因为高温又重新融合在一起。