Año 2018. John Connor (Christian Bale) ha sido elegido para liderar la lucha de los humanos contra las máquinas. Sin embargo, el futuro que estaba previsto para Connor es modificado cuando aparece en escena Marcus Wright (Sam Worthington), un extraño cuyo último recuerdo es estar en el corredor de la muerte. Al mismo tiempo que Skynet prepara su ataque final, Connor y Marcus se embarcan en una odisea que los lleva al centro de operaciones de Skynet, donde descubren el terrible secreto que se esconde detrás de la posible aniquilación de la especie humana.