Em 1999, após os eventos ocorridos em Terminator 2: Judgment Day, Sarah Connor e seu filho, John Connor, agora com 15 anos, estão fugindo da polícia. Contudo, quando o exterminador Cromartie aparece na escola de John, outro exterminador surge para proteger e levar a família Connor ao futuro, oito anos depois. Já em 2007, eles vão tentar destruir a Skynet, sistema que irá declarar guerra contra a humanidade.

Três dias depois de chegarem ao ano de 2007, Cameron leva Sarah para obter novas identidades de alguns integrantes da resistência que foram enviados de volta. Encontram três deles mortos e outro exterminador, então procuram Enrique para conseguir as novas identidades. Entretanto, John fica frustrado por ter que esperar em casa e Cromartie dá início a sua reconstrução.

Sarah segue o rastro das novas criações da Skynet e envolve-se com um vendedor de celular que construiu um computador capaz de jogar xadrez. John e Cameron tentam permanecer imperceptíveis no novo colégio, mas encontram dificuldade após John tentar convencer uma garota a não cometer suicídio. Cromartie vai a um cientista especializado em regeneração celular para ajudá-lo a desenvolver um corpo e o agente Ellison tenta resolver o caso dos três integrantes da resistência mortos.

Enquanto procuram pela carga roubada, John se separa de Cameron e Sarah. Eles percebem que o futuro será bastante inseguro.

Quando Andy envia seu computador para uma disputa de xadrez, Sarah se preocupa com a capacidade do programa e fica cara a cara com alguém que está muito ligado com sua história. Cameron recebe assistência estudantil. John faz um novo amigo e o agente Ellison acha alguns pedaços de metal após a batalha dos exterminadores.

Derrek Reese, o irmão de Kyle Reese, relembra a vida no futuro e sua guerra pessoal contra as máquinas. Sarah tenta explicar o passado a Charley. Cameron destrói o endoesqueleto, mas mantém secretamente a CPU  do T-888, desobedecendo uma ordem direta de Sarah Connor para destruir todas as partes da máquina.

Sarah invade o apartamento do agente Ellison à procura da mão de T-888, mas acaba encontrando alguns documentos e vídeos da época em que esteve internada. Os arquivos levam ao doutor Silberman. Ellison coloca sua vida em perigo ao tentar descobrir mais sobre a mão. Cameron entra na aula de balé de Maria Shipkov, irmã de Dmitri, para tentar encontrar o novo dono do "Turk". John entende o motivo que levou sua mãe a fugir do hospital.

Sarah, John, Cameron, e Derek trabalham juntos para destruir a futura rede de vigilância da Skynet. As negociações do "Turk" vão além do que todos imaginavam. O agente Ellison e a SWAT tentam derrubar o impostor do FBI. Derek dá um presente de aniversário a John e o futuro de Cameron fica indefinido.