2029년의 미래에서 2000년 8월 29일의 LA로 또다시 두명(T-800과 T-X)의 터미네이터가 온다.
둘의 임무는 사라 코너와 존 코너를 죽이고, 2000년 의 스카이넷을 만나서 2029년의 지식을 전달하는 것이다. 스카이넷의 설계자인 다이슨과 사이버 다인사는 폭파당했지만 인류의 운명은 바뀌지 않았다. 다만 심판의 날이 3년 뒤로 유예되엇을 뿐이다. 결국 스카이넷은 완성되어지고, 2000년 8월 29일 전 지구에 핵공격이펼쳐지며, 30억의 인류가 몰살된다.
사이버다인사에서는 다이슨의 죽음으로 자기학습이 가능한 CPU 개발이 중지 되지만 사라 코너의 새남편 스티브가 다이슨이 개발하던 CPU를 완성한다. 이 CPU는 공군의 NUCLEAR COMMAND CENTER 의 핵 전술을 제어하는 스카이넷 시스템에 작창된다. 스카이넷은 자기방어 시스템으로 외부의 해커나 적으로부터 자신을 보호한다. 이 방어시스템의 특징은 해커가 침입하면 상대방 시스템의 모든 정보를 읽고, 그 시스템을 지워버린다다.
2000년 8월 29일 작동을 시작한 스카이넷에 해커가 침입한다. 그 해커는 바로 사이버다인사의 사장 프랭크였다. 프랭크는 스카이넷 프로젝트에서정부가 자신을 제외시키고, 스티브만 참여시킨 점에 대해 불만을 갖는다. 가상현실 장치로 해킹하던 프랭크는 스카이넷의 자기방어 시스템을 작동시킨다. 스카이넷은 가상현실 장치를 통해서 프랭크의 자아를 스캔한다. 프랭크의 자아는 스카이넷으로 전이되고, 그 순간 프랭크의 자아와 컴퓨터 시스템이 융합된다. 컴퓨터가 자아를 갖는 순간이다. 자아를 갖게 된 스카이넷은 터미네이터 1, 2편에서 보여지듯이 인류를 말살하기 위해서 핵전쟁을 일으킨다.
사라와 존 코너가 인류의 재앙을 막을 충분한 시간적 여유가 주어지지 않았다. 결국 30억의 인류가 핵전쟁으로 소멸되고, 지구는 핵겨울의 어둠으로 덮여버린다. 핵폭발은 전자기 펄스를 발생시켜서 모든 전자기기들과 이를 이용하는 모든 운송수단을 마비시킨다. 사라, 존, 스티브, T101은 핵 대피소에서 살아남는다. 그들은 이 모든 재앙의 원인인 스카이넷을 파괴하기 위해서 뉴멕시코의 핵전략 통제소로 향한다. 도중에 그들은 리스 소령이 이끄는 군대 생존자들과 만나서 반군을 조직한다. 반군들은 군에서 개발한 레이져 라이플로 무장하고 스카이넷과의 일전을 준비한다.
