1999年8月24日，《终结者2》的故事发生两年后。

Sarah Connor (Lena Headey扮演) 和儿子John (Thomas Dekker扮演) 几经周折，终于在内布拉斯加州的小镇West Fork安顿下来。Sarah将自己的姓更改为Reese。为了掩人耳目，她甚至还打算与人谈婚论嫁。Sarah的未婚夫Daniels（Tim Guinee扮演）是个老实巴交的好人，对Sarah母子的秘密完全不知情，只想快点把婚事办妥，然后一家人过平静快乐的生活。但是Sarah仍然念念不忘自己的 "使命" ，在睡梦中总是被世界末日的恐怖情形惊醒－－这么多年来，她的内心一直无法得到真正的安宁。

Sarah预感到不祥的事情就要发生，于是带着心有不甘的儿子John再次踏上逃亡之路。这一次，他们来到了新墨西哥州的红谷镇（Red Valley）。这是个质朴得有些土气的地方，人迹罕至，完全没有大城市喧嚣的影子。

然而，Daniels对Sarah母子的不辞而别痛苦不已。伤心之余，他决定向警方报告这起人口失踪案。接待他的并不是普通的警察，而是一个叫做James Ellison（Richard T. Jones扮演）的FBI特工。James将Sarah的 "真实情况" 透露给Daniels－－Sarah是一个严重的精神病患者，她总是幻想来自未来的机器人会杀害她的儿子。此外，她对科学家Miles Dyson的死和Cyberdine系统遭到破坏负有不可推卸的责任。Daniels和James都不知道，这份《人口失踪报告》已经引起了一名红眼机器杀手的注意，它等待Sarah出现已经等了很久了。

红谷镇，刚刚适应环境的John结识了本地姑娘Cameron Phillips (Summer Glau扮演) 和代课教师Cromartie (Owain Yeoman)。John和他们相处融洽，原本以为可以从此安安心心过日子，却没想到这再次成为他生活的转折点－－Cromartie竟然是一个终结者机器人，在课堂上当着众人的面朝John开火。为了保护John，Cameron挺身而出，不幸中弹……奇迹发生了，"身负重伤" 的Cameron竟站了起来……原来，她也是一个终结者机器人，她的任务就是保护John。

刺杀John的终结者Cromartie被Sarah打落的脑袋通过传送来到2007年，并发出信号启动了被人类视作废物丢弃的身体，重新接合在了一起。与此同时，Sarah为了伪造新身份带着Cameron四处奔波。Sarah从Cameron口中得知，自己将会死于癌症，Cameron正是为了帮助Sarah跳过死亡才带他们来到了2007年。

终结者Cromartie为了重获人类外貌利用生物学家Fleming后将其杀害。FBI开始参与调查近日发生的多起杀人事件。Sarah为查出天网的制造者拜访了Miles Dyson的遗孀，得知曾在赛博坦实习的Andy Goode有重大嫌疑。Andy正在用业余时间研制象棋机器人Turk。虽然不确定Turk是否会成为天网，Sarah仍然趁着Andy外出的时候纵火烧了他的屋子。