《终结者3》结局时，地球已经被天网核平，电影最后一幕，地表有一具T-800的残骸，这具残骸正是人类2018年，与天网决战的遗迹。从《终结者4》开始，就已经不再讲穿越阻止的事情，而是在未来世界，人类与天网的战争。
彼时，天网已经进化成一个超级超级生命体，它能通过一种短波，控制世间一切的机器和系统。它们已经将人类尽数歼灭，只有以康纳为首的少数反抗军，在继续抵抗天网的屠杀。机器人军团的主要型号是T-600，不过天网已经在秘密研发T-800，除此之外，机器人军团还有一个重型机甲，这是一种巨人型号的机器人，战斗力十分强悍，能摧毁沿途的一切障碍物，人类根本无法战胜它，只有逃跑的份。
01
虽然康纳已经预言审判日的出现，包括天网在研发T-800的秘密，甚至他的威望已经高于反抗军首领，可是他依旧未能成为反抗军的领袖。在2018年，人类已经发现天网的弱点，那就天网发射的短波是可以被屏蔽的，一旦全面屏蔽天网的信号，就可以彻底摧毁天网的军团。为了安全起见，康纳带着一众小弟，决定先找一架无人机测试一下，结果无人机很快就被他们屏蔽信号，失去控制力，坠毁在地。这次测试的成功，很大程度提升了反抗军的士气，首领也决定让康纳，凌晨四点，对天网发起全面进攻，可是康纳否决了他的命令，因为他觉得，必须先救出被天网抓捕的老百姓，才能对天网发起总攻。
与此同时，一名叫马库斯的男人从废墟总突然醒来，他不知道自己的名字，也不知道自己是谁，生活在什么年代，他如同是一个被抹除掉记忆的人，一直在雨中怒吼。
原来他原本是一名死刑犯，后来由于捐献遗体，将身体交给了一家研究机器人的公司，最后公司将他改造成一个半人半机器的合成人。如今他一醒来，就一脸懵逼，不过他的生存能力很强，很快就与当地人结盟一起，并维修好车子，一起逃命，由于队伍里有一名叫凯尔的人，所以天网派出的直升机一直在追杀他们，因为凯尔就是康纳的父亲，他是穿越到过去，认识莎拉，并生下康纳的人。
为了逃命，他们一路开车狂奔，来到一个幸存者的避难所，可是这群幸存者根本不想收留他们，只给了小女孩一些食物，就打算驱赶他们离开，双方还没理论清楚，突然一只机械臂出现，将室内好几个掠走，其他人见势不妙，瞬间从里面逃出。原来是一个重机终结者，他丝毫没有放过这群人的想法，不断在朝人群发射炮弹，地面的汽车和房子，统统被炸成废墟，在它的步步紧逼下，马库斯直接驾车逃跑，并引燃油桶，制造出一片火海，将它团团包围，不过巨型机器人十分强悍，瞬间就从火浪中突围而出。可是众人已经逃远，于是天网继续派出摩托车战队，继续追击他们。
经过一段生死逃亡，马库斯终于摆脱天网的追击，他刚一醒来，就救下卷姐，他本要去寻找机器人报仇，可是卷姐却劝说他，先回到基地，寻找康纳，再一起去报仇。最后马库斯犹豫了一下，就决定和卷姐一起回基地，两人连夜冒着雨，正要收拾行李，不过遭到三个毛贼劫色，幸亏马库斯及时出手，三下五除二，就撂倒了这群狼子野心的盗贼。通过这件事，卷姐开始对马库斯有一丝动情，并对他讲了一些自己的过去和感悟。甚至还依偎在马库斯的怀里，开始谈情说爱。
02
第二天，两人一醒来，就朝基地前往，结果途中经过磁性雷区时，马库斯竟然被磁性雷吸附住，最后被炸成重伤，昏迷过程中，他终于回想起当年的记忆。
随后，等他从昏迷中醒来时，发现自己已经被捆绑在空中，任他如何挣扎，都没法逃脱束缚，并且他的胸口和背部已经被炸开，露出了金属骨骼，众人也已经知道他是一个机器人，实际上，连他自己也不清楚自己是机器人，因为他除了大脑和心脏是人类的，其余身体都是机器人构造。康纳也坚信他是来刺杀自己的，也因此才将他抓起来的，他现在有嘴也说不清。基地里的人都认为，他会杀死这里的所有人，他救下卷姐，也只是为了赢得人类的信任而已。
基地里的大胡子，一直在朝他开枪，卷姐实在看不下去，就将他骗走，并偷偷救下马库斯，两人突破基地的层层火力，最后成功逃脱。当他们穿过雷区时，基地的反抗军全面出动，一路上追杀他，他在走投无路时，跳入水下，躲过直升机的追击，可是当他上来时，却遭康纳的捕获，他为了保命，主动提出一笔交易，愿意为康纳潜入水下，找到天网的总部，并且这个目标是他们共同的心愿，康纳犹豫了一下，就放他离开了。
等其他人赶来时，马库斯已经逃离，这一切的决定，也由不得康纳，因为马库斯是唯一能救出凯尔的人，因为凯尔是他的父亲，所以凯尔不能被杀死，否则他自己也不会存在，一切的逻辑链条也会断裂。同时反抗军首领已经出兵，决定日出之前，向天网发起总攻，这次康纳先是苦苦请求他，先延缓进攻，为自己留出救援时间，可是首领根本没听他的话。最后他也揭竿而起，号召所有人成员，不要听指挥部的命令，先去解救自己的同胞，否则人类会彻底失去希望，因为人类不是冰冷的机器，如果做出了此等绝情的事，将会与机器人没有两样。
与此同时，马库斯已经来到天网的总部，由于他是机器之躯，所以天网并没有拦截他，并将他当成自己人，马库斯经过层层关卡，通过指纹验证，与天网实现互联互通，能调取数据库的一切资料，通过对所有数据扫描，马库斯慢慢恢复记忆，也开始明白，自己早已死亡，是一个女医生将自己复活的，后来军方将天网收购之后，天网就觉醒了，摧毁了人类世界。
当马库斯醒来之后，天网就开始与他对话，原来马库斯早已失去自主意识，连他回到天网总部的选择，都是早已被写入程序的，同时天网还不断对他洗脑，让他认同自己是机器人的身份。当年在创造马库斯时，就是想让他渗透入反抗军之中，释放一个反抗军以为自己能战胜机器人的信号，其实战争确实会结束，不过是反抗军会被终结的结局。
如今马库斯虽然已经被改造，可是他还是有一丝自主意识，他不甘心做一个机器人的傀儡，于是他直接撕开自己的脑皮，拔出大脑的芯片，彻底摆脱了天网的控制，同时他也前往康纳的方位，前去解救康纳，并砸碎了天网的显示屏。
03
同时康纳也已经进入基地中心，并与凯尔相遇，可是T-800突然向他们发起攻击，他直接将一个低端型号机器人拦腰截断，并拿起它的手臂，不断朝康纳他们扫射，康纳躲过首轮攻击，瞬间就举起一把枪，朝T-800射击了一枚燃烧弹，可是这些攻击对它根本没用，只是燃烧掉了它的外皮，康纳继续再朝它射击一枚炮弹，可是并未对它造成过大的伤害，本来他们想趁着T-800处于虚弱状态，利用液压机，将T-800压成铁饼，可是T-800十分狡猾，早已从他们眼前遁走，并从他们的后面突然出现，正准备偷袭康纳，首次攻击，康纳没有反应过来，被它一把甩飞在地。
而它并没有停手，直接发起连环攻击，眼看康纳就要丧命，幸亏马库斯及时出现，瞬间将它扑倒在地，一直缠住他，为康纳争取到逃命的时间，最后它为了完成首要目标，计划先手干掉马库斯，再寻找康纳，经过细致分析，它发现马库斯的弱点是心脏，于是一拳重击在马库斯的胸口，将他打得心脏停跳。随之，又将目标锁定为康纳，康纳由于之前胸口受伤，所以没跑多远，很快被它再次追上，可是康纳为了摆脱它，直接从高处跳下来，结果失去了行动能力，而他一直死追不放，于是康纳灵机一动，一枪打破房顶的高温炉。
当它上前攻击时，直接被滚烫的铁水浇在身上，但它并未彻底停摆，继续连滚带爬地朝康纳靠近，康纳此时命悬一线，只能任由他宰杀，可是它也奄奄一息，最后拼尽全力，只是将康纳的脸部抓烂，就彻底被铁水凝固身体，于是康纳侥幸保住一条命，而恢复身体的马库斯这时已经赶来，瞬间就斩下T-800的头颅，将虚弱的康纳救回基地。
康纳回到基地之后，由于心脏严重受损，已经灯枯油尽，即将死亡。马库斯为了救活康纳，主动献出自己的心脏，才将康纳从鬼门关救回。同时凯尔也已经加入反抗军，康纳直接将他纳为自己的心腹，因为他是逻辑链上重要的一环。虽说人类与天网的战争取得阶段性胜利，可是并没有结束，人类一直会与天网展开旷日持久的战争，天网虽然很强，但是人类永远不会放弃。
《终结者4》直接讲清了发生在未来的事情，并且填满了前三部留下的坑，尤其是解释清楚了康纳为什么要重用凯尔，并派凯尔回到过去。因为康纳存在的基础就是凯尔本身的存在，一切无始无终，如同一个莫比乌斯环一样，将所有人的命运都编写入了历史的长河。