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.

Et saada maailma parima võidusõiduauto tiitli, peab Pikne McQueen veel ainult ühe võistluse võitma. Niisiis asub ta USA idarannikult Kalifornia poole teele. Kuid äpraduse tõttu satub ta hoopis Radikaribi unisesse linnakesse, kus leiab end peagi vanglast, kuna põhjustas kihutades päris suure pahanduse. Nüüd peab ta mõnda aega selles linnas olema ja tehtud kahju heastama. Alguses McQueeni jaoks halvasti alanud seiklus muutub aja möödudes tänu uutele tuttavatele ja väärtuslikele õppetundidele üha paremaks.

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.