داستان فیلم روز پس از فردا دربارهٔ جک هال است که یک متخصص و کارشناس علم هواشناسی است. هال معتقد است که ظرف پنجاه تا صد سال آینده یک عصر یخ‌بندان جدید در انتظار ساکنان کُرهٔ خاکی است. او با دانشمندی بریتانیایی به نام تری راپسن آشنا می‌شود. آن دو به این نتیجه رسیده‌اند که «روز فاجعه» بسیار زودتر از آن تاریخی خواهد بود که هال پیش‌بینی کرده‌است…
در سال ۲۰۰۳، دکتر سرینا کوگان از شرکت «سایبرداین سیستمز»، به سلول مارکوس رایت می‌آید و این زندانی محکوم به مرگ (با تزریق) را متقاعد می‌کند تا بدن خود را پس از مرگ برای پژوهش پزشکی به آن شرکت بسپارد. یک سال بعد از این جریان، ربات‌های ساخت انسان که به درجه‌ای از هوشمندی و خودآگاهی رسیده‌اند، نوع بشر را به عنوان تهدیدی برای بقای خود به‌شمار می‌آورند و سامانه‌ای به نام «سامانه اسکای‌نت» را به منظور قلع و قمع انسان‌ها ایجاد می‌کنند. این سامانه موفق می‌شود در جریان رخدادی که «روز داوری» نامیده می‌شود بیشتر افراد بشر را نابود کند.
«بتمن» (وال کیلمر) به کمک یک روانشناس (نیکل کیدمن)، و «رابین»، که یک آکروبات سیرک است، به نبرد با «دو چهره» (تامی لی جنز) و «ریدلر» (جیم کری) می رود...
هنوز همه ی بیگانگان از زمین نابود نشده اند، بلکه یک بیگانه در زمین مخفی شده است و در حال تولید مثل برای حمله ای همه جانبه به زمینیان است. از طرفی دیگر درندگان و غارتگران قصد دارند که به تضاد دیرینه خود با بیگانگان برای همیشه پایان دهند و طی حمله ای گسترده بیگانگان باقی مانده را نابود کنند ولی …
«بتمن» (جرج کلونی) و «رابی» سعی دارند رابطه شان را حفظ کنند، زیرا باید «آقای منجمد» (آرنولد شوارزنگر) که قصد دارد گاتهام را منجمد کند، را متوقف سازند...