从《终结者5》开始，世界已经成为两个平行宇宙，在最原始的宇宙中，天网是在1997年发起的审判日，也就是《终结者3》里，莎拉在梦中的审判日。
在2029年，天网已经彻底霸占人类世界，并研发出101号终结者，开始奴役人类，将幸存者抓入集中营，改造成新式的机器人，彼时，康纳已经成为反抗军的首领，他犹如一个先知一样，了解关于天网的一切，并带领着众人不断前行，曾经他救下过一个小男孩，这个孩子名为凯尔，最后他将这个小孩发展成自己的得力干将，似乎这一切都在按照剧本推进。
康纳在对天网发起最后的总攻之前，他早已明白，天网有一件终极武器，一旦它失败之后，便会使用此武器保护它自己。果然在天网的核心被毁之后，它启用了时间机器，将一名T-800型号的机器人，送回到了1984年，前去刺杀康纳的母亲沙拉。
01
康纳为了阻止天网的计划，他也决定选出一名战士，前往1984年，回到过去，与天网继续对抗，当时有无数人请缨出战，康纳却都没有选用，只选择了当年他救下的小男孩凯尔，因为他早已明白将来要发生的事情，同时他也知道凯尔是自己的父亲，他必须让凯尔完成命运的闭环。
于是凯尔在众人的瞩目下，赤身裸体地穿越到过去，但是他在穿越的最后一刻，发现康纳被天网掠走，同时他的脑海瞬间出现一条从未发生的时间线，当他回到1984年时，一切似乎都对应了《终结者1》的剧情，但是还有一丝不对劲。
当T-800回到这里，正要收拾一群混混时，突然遭到机器人老爹的袭击，老爹虽然与他是同一型号，可是已经老态龙钟，根本不是他的对手，被他打得满地找牙，危急时刻，一名狙击手朝T-800射击了一枪，结果一枪打穿了它的胸口，这也是老爹首次见到T-800被杀的情景。同时，凯尔刚回来，就遭到警察的追击，他拔枪逼问警察，现在是何年何日？警察明确地回答，1984年5月12日，还喊出了凯尔的名字。原来这名警察是来阻止凯尔的T-1000，它立即化掌为刀，朝凯尔砍去，凯尔躲过攻击，对它连射数枪，将它击倒在地，就趁机逃跑了。
当凯尔被警察抓住以后，T-1000依旧对他紧追不放，并且双手化刀，不停地朝警察乱砍，警察对它连射数枪，根本无效，还以为它外星人，因此，慌乱逃窜，并为凯尔解开手铐，就在他们以为自己就要丧命于此时，突然一辆大货车出现，撞飞了T-1000，从车里下来的女人，还朝T-1000连射数枪，暂时阻挡住了它进攻的步伐，同时将凯尔顺路接走，等T-1000站起以后，他们早已远走高飞。
原来刚才的女人正是莎拉，凯尔正愁怎么与莎拉解释自己，不料莎拉对终结者的事情，比自己还了解，她不光知道刚才的液态机器人是T-1000，而且还知道，凯尔是反抗军领袖康纳派来保护自己的人，甚至她还知道那个领袖就是自己儿子。凯尔对她的话感到不可思议，莎拉却觉得一切很正常，因为她深知过去的1984年已经不存在，而如今的1984是一个崭新的平行世界，并且她还将老爹展示给凯尔看，可是凯尔十分激动，以为老爹就是T-800，于是三人在争端中，出了车祸，最后老爹将凯尔打晕，带回车厢，继续赶路。当凯尔醒来时，他一脸懵逼，开始问关于T-1000的事情，莎拉根本不知从何说起，于是就从她9岁那年讲起了事情的缘故。
原来早在1973年，天网已经秘密派出T-1000，前来刺杀幼小的莎拉，可是当时老爹也穿越到了同一时空，于是按照程序设定，老爹救下了莎拉，从此，两人隐姓埋名，一起过着幸福的生活，老爹不光要保护莎拉一辈子，还教给了她无数对抗机器人的方法，并且她们一直在等待1984年这一天的到来，目的就是为了与凯尔一起改变未来，共同阻止天网的到来。
由于天网对1973年的改变，导致时间线出现分歧，形成了一个崭新的时间线，所以，在1984年的莎拉，对未发生的事情知道的一清二楚，并且认为这个时空，早已不是最原始的世界，因此，她决定带凯尔去自己的秘密基地，可是他们在回家途中，再次遭到T-1000的袭击，莎拉从后车厢一直在对T-1000射击，可是普通子弹根本没用，它不退反进，直接朝他们车厢扑来，幸亏凯尔给它继续补枪，才将它打了下去，最后凯尔又射出致命一枪，才将它炸飞。
02
他们刚回到秘密基地，还没歇脚，就被T-1000追了上来，留下来断后的老爹，被它一棍插入胸膛，要了半条命。凯尔不断朝它射击，根本无法阻止它的前进，幸亏老爹及时拔下铁棍，才躲过它下一步的攻击，而它从身体故意滴下一滴金属，留在T-800的身上，瞬间修改了T-800的程序，T-800也开始朝凯尔他们攻击，被绊倒的凯尔，一枪将T-800射得脱皮，然而T-800依旧对凯尔步步紧逼，幸亏凯尔急中生智，将它诱入暗道，一枪就打掉了它的头颅。
当凯尔回到莎拉身边时，这时T-1000也变成了他自己的模样，莎拉根本无法分辨他们谁才是真的，于是问了他们一些问题，通过回答的细节，也没法分辨，最后只好随机射击了一个人的脚，正好射到了T-1000的脚上，这时T-1000才撕破脸皮，与他们继续缠斗。莎拉为了迎接这一刻，都已经准备了十年之久，只见她大喊一声快跑，就拿起枪朝房顶扫射，随之，房顶不断有硫酸流下，这些硫酸形成酸雨，一直落在T-1000身上，最后腐蚀掉了它身上的一层皮，它连滚带爬，硬是走近莎拉，并开始攻击她。幸亏老爹及时出现，一把抓起它，并拎起到浓硫酸下面，最后T-1000彻底被解体，化成一堆被氧化的废铁。
他们为老爹修复好手臂之后，一起来到时间机器前，准备穿越到1997年，前去阻止天网的形成。凯尔却提醒他们，去的不是1997年，应该是2017年，因为他的脑海形成了一个全新时间线的记忆，在这个记忆里，天网是2017年诞生的，与一款创世纪游戏上线的时间是一致的。即便老爹给莎拉讲了量子效应和平行宇宙原理，可是莎拉依旧固执己见，根本不想去2017年，最后凯尔只好强行拔下芯片，因为他们只有一次穿越机会，一旦出错，会彻底颠覆未来的命运。
当他们两人对峙时，凯尔在莎拉手心画下一条线，并说，你可以的，一直往前走。这句话似乎只有莎拉一个能知道，但是凯尔也知道了，说明凯尔很大可能已经窥探天机，所以莎拉后来又选择相信凯尔，选择穿越2017年，于是他俩赤身裸体相拥一起，并待在时光机中心，只见一条闪电闪过，一个能量球凭空出现，他们两人也一起出现在马路中心，于是警方将他们定性为恐怖分子，所以他们一落地，就被抓入警局了。
03
警察还没对他们审问，他们就已经悄悄打开手铐，准备逃走。可是这时康纳居然也来到医院，他们三个一见如故，一番嘘寒问暖之后，他们准备从医院突围而出，逃跑途中，康纳将凯尔是自己父亲的事情，告诉了 还未相恋的凯尔和莎拉，三人还在团聚之时，老爹突然出现，一枪就将康纳轰飞，凯尔以为老爹是奸细，本要揍他，结果被老爹反制。
三个人还在僵持一起时，他们突然发现，康纳身体周围的液体变成了纳米粒子，自动修复好了他身体。此时凯尔和莎拉才发觉，是他们冤枉了老爹，同时康纳也老实交代了自己的身份，原来他既不是人类，也不是机器人，而是被天网改造成了一个编码为T-3000的合成人，他全身的每一个细胞，都已被纳米技术改造，无论受到多么大的创伤和打击，都会瞬间修复身体，所以一切热核武器，都对他统统无效，他是被天网送到2014年的，主要目的是保护天网的诞生。
四人话不投机，半句都嫌多，直接开干，老爹一把扑在康纳身上，将他不断撞入医院的CT室，最后两人由于身体材质问题，都被吸入仪器之中。凯尔关闭机器，救出老爹，决定离开这里，路途之中，他们想到了普通武器根本无法伤到康纳，只有磁力武器才能对康纳有影响，于是他们开始收集磁铁，以来对付康纳，不料他们很快又被康纳找到，莎拉通过射击燃烧弹，暂时击退康纳，三人再次走上亡命之路，可是他们很快又被康纳追上，这次双方是在公交车上缠斗，经过一番拉扯之后，康纳和公交车一起坠入水下，他们才侥幸躲过一劫。
他们虽说已经虎口脱险，可是又被警方抓回警局，还在审问之中，康纳就又混入警局，继续向他们发起攻击，老爹先手认出伪装成女警的康纳，并以寻衰老之躯，将他拖住。而莎拉和凯尔继续从警局往出逃命，途中他们遇到一个小男孩，这个小男孩就是年幼的凯尔，于是莎拉在他手心画下一道线，并对小孩说了同样的话，这也是导致她与凯尔建立信任关系的契机。
经过一番惊心动魄的战斗，他们最后终于来到天网的主机室，本要炸毁这里，结果遭到康纳的阻拦，打斗过程中，定时炸弹的遥控器被毁，而天网只剩不到5分钟，就会将程序载入完成，到时候人类就要彻底完蛋了，这次老爹选择舍身取义，将康纳扑倒在粒子加速器里，同时凯尔打开机器，他们两个同时被高速旋转的机器吸入，最终康纳的身体被彻底解体。同时莎拉和凯尔，也从基地中心逃出，而基地的炸弹也被他们彻底引爆，自此，天网彻底会摧毁，变异的康纳也一同被毁灭。
电影结局时，老爹并没有死亡，而是升级了型号，进化成了T-1000，而人类与天网的斗争，虽然取得了阶段性胜利，可是并未结束。电影最后一幕，凯尔与幼年的自己相见，他将创世纪游戏的上线和天网诞生是同一天的秘密，提前告诉了小孩，这也导致成年的自己，深刻地知道关于天网诞生的时间点。
最后电影的所有时间线形成闭环，一切的因果，都没有开端，互相之间有着微妙的影响，就像未来能改变过去，过去也能改变未来。