Після подій фільму «Термінатор 2: Судний день» Сара Коннор та її син Джон Коннор розшукуються втікачами за їхню роль у вибуху Cyberdyne Systems та смерті Майлза Дайсона. У серпні 1999 року Сара і Джон живуть з фельдшером Чарлі Діксоном (Дін Вінтерс) в Небрасці, в той час як агент ФБР Джеймс Еллісон (Річард Т. Джонс) зосереджений на їх розшуку. Вони переїжджають до маленького містечка в Нью-Мексико, де Термінатор T-888 на ім'я Кромарті (Овайн Йоман) атакує школу Джона. Джона рятує перепрограмований Т-900 Кемерон, який повідомляє їм, що «Скайнет» активується в 2011 році, а Судний день все ще настає. Тріо вирушає до Лос-Анджелеса, використовуючи футуристичну зброю, щоб обезголовити Кромарті, і пристрій для переміщення часу, захований у банківському сховищі, щоб вирушити в 2007 рік, де кадри їхнього прибуття дивують Діксона та Еллісона.

Сара знаходить нову зачіпку у створенні «Скайнет», зав'язуючи романтичні стосунки з продавцем мобільних телефонів Енді Гудом (Брендан Хайнс), який конструює суперкомп'ютер для гри в шахи під назвою «Турок». Джон і Кемерон намагаються залишатися непомітними у своїй новій середній школі, що виявляється важким, коли Джону не вдається зупинити студента Джордана Коуена (Алессандра Торресані) від самогубства. Переодягнений Кромарті звертається до вченого (Адам Годлі) з математичною формулою, щоб регенерувати його зруйновану людську шкіру. Після того, як вони досягають успіху, Кромарті вбиває вченого і забирає у нього очі. Еллісон, який розслідує вбивства трьох загиблих бійців опору, викликається на місце вбивства лікаря і виявляє, що всі сліди їхньої роботи знищені. Сара спалює будинок Енді, щоб знищити турка.

Кромарті відвідує пластичного хірурга і змінює свою зовнішність, щоб виглядати як актор Джордж Ласло (Гаррет Діллахант), перш ніж вбити хірурга. У 2007 році Джон, Сара і Кемерон дізнаються, що Кромарті активний, і вирішують знищити велику партію колтану, основного металу в ендоскелеті Термінатора. Джон пробирається на борт вантажівки під командуванням Картера (Брайан Блум), Т-888, який зберігає колтан у загартованому бункері перед деактивацією. За допомогою Кемерона і Сари Джону вдається викрасти вантажівку, заманити Картера в бункер і викинути колтан в океан. Еллісон дізнається, що кров, знайдена в кабінеті лікаря, має синтетичну природу, і приводить Ласло на допит; він довіряє свої підозри щодо незвичайного характеру справи колезі-агенту ФБР Греті Сімпсон (Кетрін Дент), але його теорії дискредитує вискочка-агент ФБР Стюарт (Лі Томпсон Янг). Оскільки Ласло більше не є підозрюваним, Кромарті вбиває його і видає себе за нього.

З Сарою зв'язується Енді, який розповідає їй, що перепрограмував свій суперкомп'ютер для гри в шахи і відправляє його на змагання, головним призом якого є військовий контракт. Чарлі та його дружину Мішель (Соня Уолджер) відвідує Кромарті, який видає себе за агента ФБР Роберта Кестера, і Чарлі розповідає їй, що раніше його відвідував Джон. Після того, як комп'ютер Енді несподівано програє, Сара знаходить його мертвим, а турка зниклим. Дізнавшись, що чоловік, заарештований за вбивство Енді, є бійцем опору з майбутнього, Сара відвідує його і дізнається, що це Дерек Різ (Браян Остін Грін) — старший брат Кайла Різа. Дерек був застрелений і важко поранений Т-888, перш ніж Кемерон і Джон змогли вийняти його процесор. Еллісон знаходить відрізану руку Т-888 під час розслідування транспортної атаки. Сара повідомляє Джону, що Дерек — його дядько; Потребуючи негайної медичної допомоги, Джон забирає Чарлі, щоб допомогти врятувати життя Дерека.

У 2027 році Дерек розлучається з Кайлом і потрапляє в полон до Термінаторів. Він та ще двоє є членами групи, яку катують заради інформації; один з двох, Біллі Вішер, розповідає, що його справжнє ім'я Енді Гуд і що він зіграв роль у створенні «Скайнет». Дереку та ув'язненим дозволяють втекти, дізнавшись, що їхня база була атакована, і що Кайл вважається зниклим безвісти після дуже секретної місії з Джоном Коннором. [a] Дерек зустрічає Кемерон після того, як вона знищує іншого перепрограмованого Термінатора, який повернувся до свого початкового програмування і почав вбивати бійців опору. Через кілька місяців Дерек погоджується повернутися в 2007 рік, де він підходить до Енді і вбиває його.

Кемерон стежить за «Турком» і бізнес-партнером Енді, Дмитром Шипковим, через балетну студію своєї сестри. Еллісон відвідує доктора Пітера Зільбермана (Брюс Девісон), який колись працював психіатром у лікарні Сари, а тепер навернувся до кінця світу після того, як побачив Т-1000. Не вірячи, що Еллісон людина, Зільберман нападає на Еллісон і намагається спалити його будинок з Еллісон всередині. Його зупиняє Сара, яка відновлює і знищує руку Т-888, а Зільбермана повертають Пескадеро як пацієнта. Кемерон захищає сестру Дмитра від головорізів і зустрічає Дмитра, який розповідає, що він запрограмував турка кинути шаховий матч, щоб продати його іншому покупцеві. Дерек каже Джону, що Кемерон не можна довіряти, вважаючи, що вона, можливо, скомпрометувала його осередок опору. Джон знаходить файл Пескадеро і виявляє, що Сара відмовилася від своїх батьківських прав.

Джон знаходить чіп Т-888 у Кемерон і вирішує зламати його, дізнавшись, що основна місія Т-888 полягала в тому, щоб видати себе за Віка Чемберлена (Метт МакКолм) і за будь-яку ціну тримати систему управління дорожнім рухом ARTIE своєї дружини Барбари, оскільки вона може стати частиною майбутньої інфраструктури «Скайнет». Зі спогадів Віка Дерек дізнається, що він знайшов іншого бійця опору і пішов за ним назад до схованки, виправдовуючи Кемерон. Не маючи змоги зламати систему управління дорожнім рухом, Джон деактивує Кемерон і використовує її процесор, щоб зламати систему в контрольній точці, сіючи хаос у системі. Дерек намагається змусити Джона знищити її процесор, але той відмовляється; після повернення додому Сара повідомляє йому, що вона знає, що він убив Енді, і вона вб'є його, якщо він коли-небудь знову збреше їй.

У 2011 році підліток Дерек грає в бейсбол з Кайлом, коли починається Судний день. Чоловіки з Маргосом Саркісяном (Джеймс Урбаняк), бізнесменом, який володіє «Турком», вбивають трьох членів екіпажу Карлоса Сальседи, щоб отримати інформацію про Сару. В інтернет-кафе Сарі та Кемерон доручають зібрати 500 000 доларів для «Турка», але після того, як вони дізнаються про їхні справжні особи, Саркісян шантажує їх 2 мільйонами доларів, щоб приховати їхню інформацію від ФБР. Інший соратник Карлоса приводить їх назад в інтернет-кафе, де вони вбивають передбачуваного Саркісяна і крадуть жорсткий диск комп'ютера, щоб вистежити турка. У день народження Джона Дерек приводить його в парк і вказує на Кайла і його молодшого «я», показуючи, що він з'ясував, що Кайл — батько Джона. Зустрічаючись з Чарлі, Еллісон вдається пов'язати фальшивого агента Кестера і вбивства лікарів з Ласло і Кромарті.