On olemas kaks reaalsust: see, milles me päevast päeva elame, ja teine, mis asub selle taga. Neo otsib tõde Matrixi kohta, millest ta on kuulnud vaid arglikke sosinaid ja kuulujutte. See on midagi salapärast ja ohtlikku ning Neo on kindel, et see kontrollib kõigi inimeste elusid. Ta usub, et Morpheus, keda peetakse kõige ohtlikumaks meheks maailmas, on just see, kes suudaks anda vastuse küsimusele: mis on Matrix?

Aastal 2029 käib inimeste ja masinate vahel sõda, millest vaid üks pool võib võitjana väljuda. Masinate juhtsüsteemi, Skyneti ähvardab kaotus. Et kõrvaldada üks tähtsaim inimeste juht, saadetakse ajas tagasi küborg ülesandega tappa vastupanuliikumise juhi ema, Sarah Connor. Ka inimesed saadavad oma võitleja minevikku – sõdur Kyle Reese. Tema ülesandeks on kaitsta Sarah Connorit, kuid kas praktiliselt relvitul inimesel on lootust jagu saada temast igas mõttes üle olevast terminaatorist?

Masinad palaanivad rünnata Zeoni, ainukest linna, kus on veel inimesi. Matrixisse ilmub tagasi eelmises osas hävitatud programm Smith (Hugo Weaving), mis on leidnud võimaluse ennast paljundada.

Tulevikus, kus teaduse areng võimaldab olemasolu, usaldavad inimesed kõik oma elu aspektid keerukatele robotitele, mida nimetatakse Meccas. Emotsioonid on masinate evolutsiooni viimane piir. Kuid kui edasijõudnud robotlaps nimega David on programmeeritud armastama, pole inimesed tagajärgedeks valmis.

Masinad jõuavad viimaks Zeoni. Algab lahing maa saatuse üle. Samal ajal on programm Smith (Hugo Weaving) Matrixi hävingu äärele viinud. Neo (Keanu Reeves) läheb masinate linna, et seal masinatele ettepanek teha: Tema hävitab Programm Smithi, kui masinad nõustuvad inimestega rahu tegema.