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.

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.

Eriagendil Ethan Huntil on uus missioon: hoida ära halastamatu endine agent ja nüüd rahvusvaheline terrorist, et ta saaks kätte surmava viiruse, mis võib Austraalia vallandada, põhjustades miljoneid ohvreid. Selle ärahoidmiseks on tal taas hindamatuks abiks arvutigeenius Luther Stickell, asjatundlik autojuht Billy Baird ja sensuaalne ning eksootiline rahvusvaheline varas Nhye, kellel varem olid kurjategijaga sentimentaalsed suhted ja keda nüüd Hunt meelitab.