Une décennie s'est écoulée depuis que John Connor (NICK STAHL) a contribué à empêcher le Jugement dernier et à sauver l'humanité d'une destruction massive. Aujourd'hui âgé de 25 ans, Connor vit « hors réseau » - sans domicile, sans carte de crédit, sans téléphone portable et sans emploi. Aucune trace de son existence. Aucun moyen pour Skynet d'être retrouvé par Skynet - le réseau de machines hautement développé qui a autrefois tenté de le tuer et de faire la guerre à l'humanité. Jusqu'à ce que, surgissant des ombres du futur, apparaisse le T-X (KRISTANNA LOKEN), la machine à tuer cyborg la plus sophistiquée de Skynet à ce jour. Envoyée à travers le temps pour terminer le travail laissé inachevé par son prédécesseur, le T-1000, cette machine est aussi implacable que son apparence humaine est belle. Désormais, le seul espoir de survie de Connor est le Terminator (ARNOLD SCHWARZENEGGER), son mystérieux ancien assassin. Ensemble, ils doivent triompher du T-X technologiquement supérieur et empêcher la menace imminente du Jugement dernier, sous peine de faire face à l'apocalypse et à la chute de la civilisation telle que nous la connaissons.