從《終結者5》開始，世界已經成為兩個平行宇宙，在最原始的宇宙中，天網是在1997年發起的審判日，也就是《終結者3》里，莎拉在夢中的審判日。
在2029年，天網已經徹底霸占人類世界，並研發出101號終結者，開始奴役人類，將倖存者抓入集中營，改造成新式的機器人，彼時，康納已經成為反抗軍的首領，他猶如一個先知一樣，了解關於天網的一切，並帶領著眾人不斷前行，曾經他救下過一個小男孩，這個孩子名為凱爾，最後他將這個小孩發展成自己的得力幹將，似乎這一切都在按照劇本推進。
康納在對天網發起最後的總攻之前，他早已明白，天網有一件終極武器，一旦它失敗之後，便會使用此武器保護它自己。果然在天網的核心被毀之後，它啟用了時間機器，將一名T-800型號的機器人，送回到了1984年，前去刺殺康納的母親沙拉。
01
康納為了阻止天網的計劃，他也決定選出一名戰士，前往1984年，回到過去，與天網繼續對抗，當時有無數人請纓出戰，康納卻都沒有選用，只選擇了當年他救下的小男孩凱爾，因為他早已明白將來要發生的事情，同時他也知道凱爾是自己的父親，他必須讓凱爾完成命運的閉環。
於是凱爾在眾人的矚目下，赤身裸體地穿越到過去，但是他在穿越的最後一刻，發現康納被天網掠走，同時他的腦海瞬間出現一條從未發生的時間線，當他回到1984年時，一切似乎都對應了《終結者1》的劇情，但是還有一絲不對勁。
當T-800回到這裡，正要收拾一群混混時，突然遭到機器人老爹的襲擊，老爹雖然與他是同一型號，可是已經老態龍鍾，根本不是他的對手，被他打得滿地找牙，危急時刻，一名狙擊手朝T-800射擊了一槍，結果一槍打穿了它的胸口，這也是老爹首次見到T-800被殺的情景。同時，凱爾剛回來，就遭到警察的追擊，他拔槍逼問警察，現在是何年何日？警察明確地回答，1984年5月12日，還喊出了凱爾的名字。原來這名警察是來阻止凱爾的T-1000，它立即化掌為刀，朝凱爾砍去，凱爾躲過攻擊，對它連射數槍，將它擊倒在地，就趁機逃跑了。
當凱爾被警察抓住以後，T-1000依舊對他緊追不放，並且雙手化刀，不停地朝警察亂砍，警察對它連射數槍，根本無效，還以為它外星人，因此，慌亂逃竄，並為凱爾解開手銬，就在他們以為自己就要喪命於此時，突然一輛大貨車出現，撞飛了T-1000，從車裡下來的女人，還朝T-1000連射數槍，暫時阻擋住了它進攻的步伐，同時將凱爾順路接走，等T-1000站起以後，他們早已遠走高飛。
原來剛才的女人正是莎拉，凱爾正愁怎麼與莎拉解釋自己，不料莎拉對終結者的事情，比自己還了解，她不光知道剛才的液態機器人是T-1000，而且還知道，凱爾是反抗軍領袖康納派來保護自己的人，甚至她還知道那個領袖就是自己兒子。凱爾對她的話感到不可思議，莎拉卻覺得一切很正常，因為她深知過去的1984年已經不存在，而如今的1984是一個嶄新的平行世界，並且她還將老爹展示給凱爾看，可是凱爾十分激動，以為老爹就是T-800，於是三人在爭端中，出了車禍，最後老爹將凱爾打暈，帶回車廂，繼續趕路。當凱爾醒來時，他一臉懵逼，開始問關於T-1000的事情，莎拉根本不知從何說起，於是就從她9歲那年講起了事情的緣故。
原來早在1973年，天網已經秘密派出T-1000，前來刺殺幼小的莎拉，可是當時老爹也穿越到了同一時空，於是按照程序設定，老爹救下了莎拉，從此，兩人隱姓埋名，一起過著幸福的生活，老爹不光要保護莎拉一輩子，還教給了她無數對抗機器人的方法，並且她們一直在等待1984年這一天的到來，目的就是為了與凱爾一起改變未來，共同阻止天網的到來。
由於天網對1973年的改變，導致時間線出現分歧，形成了一個嶄新的時間線，所以，在1984年的莎拉，對未發生的事情知道的一清二楚，並且認為這個時空，早已不是最原始的世界，因此，她決定帶凱爾去自己的秘密基地，可是他們在回家途中，再次遭到T-1000的襲擊，莎拉從後車廂一直在對T-1000射擊，可是普通子彈根本沒用，它不退反進，直接朝他們車廂撲來，幸虧凱爾給它繼續補槍，才將它打了下去，最後凱爾又射出致命一槍，才將它炸飛。
02
他們剛回到秘密基地，還沒歇腳，就被T-1000追了上來，留下來斷後的老爹，被它一棍插入胸膛，要了半條命。凱爾不斷朝它射擊，根本無法阻止它的前進，幸虧老爹及時拔下鐵棍，才躲過它下一步的攻擊，而它從身體故意滴下一滴金屬，留在T-800的身上，瞬間修改了T-800的程序，T-800也開始朝凱爾他們攻擊，被絆倒的凱爾，一槍將T-800射得脫皮，然而T-800依舊對凱爾步步緊逼，幸虧凱爾急中生智，將它誘入暗道，一槍就打掉了它的頭顱。
當凱爾回到莎拉身邊時，這時T-1000也變成了他自己的模樣，莎拉根本無法分辨他們誰才是真的，於是問了他們一些問題，通過回答的細節，也沒法分辨，最後只好隨機射擊了一個人的腳，正好射到了T-1000的腳上，這時T-1000才撕破臉皮，與他們繼續纏鬥。莎拉為了迎接這一刻，都已經準備了十年之久，只見她大喊一聲快跑，就拿起槍朝房頂掃射，隨之，房頂不斷有硫酸流下，這些硫酸形成酸雨，一直落在T-1000身上，最後腐蝕掉了它身上的一層皮，它連滾帶爬，硬是走近莎拉，並開始攻擊她。幸虧老爹及時出現，一把抓起它，並拎起到濃硫酸下面，最後T-1000徹底被解體，化成一堆被氧化的廢鐵。
他們為老爹修復好手臂之後，一起來到時間機器前，準備穿越到1997年，前去阻止天網的形成。凱爾卻提醒他們，去的不是1997年，應該是2017年，因為他的腦海形成了一個全新時間線的記憶，在這個記憶里，天網是2017年誕生的，與一款創世紀遊戲上線的時間是一致的。即便老爹給莎拉講了量子效應和平行宇宙原理，可是莎拉依舊固執己見，根本不想去2017年，最後凱爾只好強行拔下晶片，因為他們只有一次穿越機會，一旦出錯，會徹底顛覆未來的命運。
當他們兩人對峙時，凱爾在莎拉手心畫下一條線，並說，你可以的，一直往前走。這句話似乎只有莎拉一個能知道，但是凱爾也知道了，說明凱爾很大可能已經窺探天機，所以莎拉後來又選擇相信凱爾，選擇穿越2017年，於是他倆赤身裸體相擁一起，並待在時光機中心，只見一條閃電閃過，一個能量球憑空出現，他們兩人也一起出現在馬路中心，於是警方將他們定性為恐怖分子，所以他們一落地，就被抓入警局了。
03
警察還沒對他們審問，他們就已經悄悄打開手銬，準備逃走。可是這時康納居然也來到醫院，他們三個一見如故，一番噓寒問暖之後，他們準備從醫院突圍而出，逃跑途中，康納將凱爾是自己父親的事情，告訴了 還未相戀的凱爾和莎拉，三人還在團聚之時，老爹突然出現，一槍就將康納轟飛，凱爾以為老爹是姦細，本要揍他，結果被老爹反制。
三個人還在僵持一起時，他們突然發現，康納身體周圍的液體變成了納米粒子，自動修復好了他身體。此時凱爾和莎拉才發覺，是他們冤枉了老爹，同時康納也老實交代了自己的身份，原來他既不是人類，也不是機器人，而是被天網改造成了一個編碼為T-3000的合成人，他全身的每一個細胞，都已被納米技術改造，無論受到多麼大的創傷和打擊，都會瞬間修復身體，所以一切熱核武器，都對他統統無效，他是被天網送到2014年的，主要目的是保護天網的誕生。
四人話不投機，半句都嫌多，直接開干，老爹一把撲在康納身上，將他不斷撞入醫院的CT室，最後兩人由於身體材質問題，都被吸入儀器之中。凱爾關閉機器，救出老爹，決定離開這裡，路途之中，他們想到了普通武器根本無法傷到康納，只有磁力武器才能對康納有影響，於是他們開始收集磁鐵，以來對付康納，不料他們很快又被康納找到，莎拉通過射擊燃燒彈，暫時擊退康納，三人再次走上亡命之路，可是他們很快又被康納追上，這次雙方是在公交車上纏鬥，經過一番拉扯之後，康納和公交車一起墜入水下，他們才僥倖躲過一劫。
他們雖說已經虎口脫險，可是又被警方抓回警局，還在審問之中，康納就又混入警局，繼續向他們發起攻擊，老爹先手認出偽裝成女警的康納，並以尋衰老之軀，將他拖住。而莎拉和凱爾繼續從警局往出逃命，途中他們遇到一個小男孩，這個小男孩就是年幼的凱爾，於是莎拉在他手心畫下一道線，並對小孩說了同樣的話，這也是導致她與凱爾建立信任關係的契機。
經過一番驚心動魄的戰鬥，他們最後終於來到天網的主機室，本要炸毀這裡，結果遭到康納的阻攔，打鬥過程中，定時炸彈的遙控器被毀，而天網只剩不到5分鐘，就會將程序載入完成，到時候人類就要徹底完蛋了，這次老爹選擇捨身取義，將康納撲倒在粒子加速器里，同時凱爾打開機器，他們兩個同時被高速旋轉的機器吸入，最終康納的身體被徹底解體。同時莎拉和凱爾，也從基地中心逃出，而基地的炸彈也被他們徹底引爆，自此，天網徹底會摧毀，變異的康納也一同被毀滅。
電影結局時，老爹並沒有死亡，而是升級了型號，進化成了T-1000，而人類與天網的鬥爭，雖然取得了階段性勝利，可是並未結束。電影最後一幕，凱爾與幼年的自己相見，他將創世紀遊戲的上線和天網誕生是同一天的秘密，提前告訴了小孩，這也導致成年的自己，深刻地知道關於天網誕生的時間點。
最後電影的所有時間線形成閉環，一切的因果，都沒有開端，互相之間有著微妙的影響，就像未來能改變過去，過去也能改變未來。