未来を知る男として”予言者”とも呼ばれたジョンは、遂にスカイネットを滅ぼす日を迎えようとする。
ジョンの部下になっていたカイルは、収容所を装った最終兵器を、スカイネットが使用するというジョンの考えを聞く。
それを破壊する協力を求めたジョンは、快く引き受けてくれたカイルに感謝しする。
ジョンらは攻撃を仕掛け、コロラドの中枢部を破壊したことを知り、マシン軍は敗北する。
しかし、スカイネットは時間転送装置を作り、ジョンの存在自体を消し去る目的で、彼の母サラ・コナーを抹殺するために、ターミネーター”T-800”（アーノルド・シュワルツェネッガー）を送り込んでいた。
1984年、午前1時52分、ロサンゼルス。
無時に転送されたT-800は、市街を見つめる。
2029年。
ターミネーターが1984年に転送されたことを知ったジョンは、その目的が母サラを殺すためだと部下に説明する。
部下達から、過去に戻りサラを救うべきだと提案されたジョンは、その適任者は自分だと言って志願したカイルを、1984年5月21日に送り込む決心をする。
ジョンは、1984年のサラは戦士ではなく、単なるウエイトレスとして働く女性でり、相手にはされないだろうとカイルに伝え、理解してもらえないのを承知で母へのメッセージ託す。
全裸で装置に入り転送が始まるが、カイルは、敵のスパイだったアレックス（T-5000）（マット・スミス）にジョンが襲われるのを目撃する。
転送される途中でカイルは、誕生日に、二日後に起動してアップデートが始まる”ジェニシス”にアクセスできるタブレットをプレゼントされる記憶を見る。
”一直線に”と手のひらをなぞる女性（エミリア・クラーク）、”ジェニシスがスカイネットで、これが起動すると審判の日が始まる、その前に殺せ”と言う自分の記憶も見たカイルは、1984年に転送される。
全裸のT-800は、チンピラから服を奪おうとするが、現れた同型のT-800（アーノルド・シュワルツェネッガー）から銃撃され、反撃して格闘になる。
その時、何者かが全裸のT-800を狙撃して機能を停止させ、T-800は仕留めた相手に合図を送る。
ホームレスからズボンを奪ったカイルは、警官に姿を変えたターミネーター”T-1000”（イ・ビョンホン）に日付を聞いた直後に襲われる。
銃撃しても即再生する液体金属のT-1000から逃れたカイルは、ショッピング・センターに侵入して上着とコート、シューズを奪う。
しかし、巡回していた二人の警官に捕えられたカイルは連行される。
その場に現れたT-1000は警官の一人を殺し、逃れたカイルはもう一人の警官オブライエンに手錠を外させる。
そこに、トラックで店に突っ込んできたサラ・コナー（エミリア・クラーク）が現れてT-1000を銃撃し、カイルを乗せて走り去る。
液体金属のT-1000や、ジョンが自分を送り込んだことを知っているサラに驚くカイルは、全てが変わり、知らされていた1984年が存在しないと彼女から言われる。
スカイネットが送り込んだT-800は始末したとサラに言われたカイルは、荷台のそれを見せられるが、もう一体のT-800がその場にいたために発砲してしまう。
トラックは消火栓に激突して止まり、車を降りてT-800を攻撃しようとしたカイルは、殴られて気絶する。
T-1000が追ってくると言って、トラックを運転してその場を離れるT-800は、こんな状況でもカイルと”合体”できると、ジョンを産む重要性をサラに伝える。
その前に愛が必要だと答えるサラに、それ（愛）はインプットされていないとT-800は伝えるが、彼女はその話にうんざりする。
意識の中で再び少年時代に戻ったカイルは、”2017年のサンフランシスコに行き、起動の前に殺せ”と話す自分を見る。
目覚めたカイルは、T-800と行動するサラに説明を求め、皮膚が人間と同じように老化するという彼が9歳の時に現れて、彼女が救われたことを知らされる。
サラ・コナーを守るようにとプログラムされていると言うT-800だったが、誰が送り込んだかはデータにないとカイルに伝える。
T-800は、T-1000に居場所が知られたことに気づく。
混乱するカイルは、過去が変えられるなら未来も変えられるとサラに言われ、”審判の日”を自分達が止めると話す彼女に、”起動の前に殺せ”と伝える。
そこにT-1000が現れ、サラとカイルは攻撃し、激しい銃撃戦の末に相手のパトカーは大破する。
廃墟となった工場に向かったサラは、ジョンが襲われるのを目撃したことをカイルから知らされれる。
ジョンの生死を聞かれたカイルは、自分が転送された瞬間だったために分からないと答える。
そこにT-1000が現れ、サラとカイルは攻撃を始める。
T-1000は、機能停止していたT-800を再生させ、それに襲われたカイルは相手を倒す。
硫酸を仕掛けた空間にT-1000を誘い込んだサラは、カイルが二人現れたために戸惑う。
一人の足を撃ったサラは、それがT-1000だと確認して、カイルに逃げるよう指示して頭上の硫酸のタンクを銃撃する。
溶け始めたT-1000が尚も迫ってきたため、T-800が相手を掴んで硫酸を浴びせ、完全に消滅させる。
T-800の右腕は皮膚が解けて機械がむき出しになり、サラが中和剤を吹きかける。
10年以上前に来ることを知っていたとカイルに話すサラは、罠を作っていたことを伝えて地下に向かう。
その場に時間転送装置があったために驚くカイルは、1984年の技術では、それを使うのは無理だとT-800に言われる。
倒したT-800のチップを利用して、T-800は、サラとカイルを1997年に向かわせようとする。
三人で行くと言うサラだったが、組織再生に何年もかかり、電磁場を通過できないので無理だとT-800は彼女に伝える。
未来に向かうなら、1997年ではなく2017年の10月だと言うカイルは、全てが変わったので、その時が”審判の日”だと説明する。
戦争が起こらなかった平和な時間軸の記憶があることをサラに伝えたカイルは、13歳の誕生日の記憶を話す。
メッセージがあると言うカイルは、”起動の前に殺せ、スカイネットがジェニシスだ”と語り、2017年10月にそれが起動して”審判の日”が始まることを伝える。
それは別の時間軸だとT-800は指摘し、カイルにとっての過去であり、自分達の未来だとサラに話す。
なぜ別の時間軸の記憶があるのかと聞くサラに、電磁場で時間の分岐点を見た可能性があると答えるT-800は、ジョンが襲われた時に、その記憶を見たとカイルに言われる。
ジョンに何かあったとすれば、二つの過去が記憶される可能性があるとT-800は話し、カイルは、とにかく記憶は確かだとサラに伝える。
サラが1997年に行くと言う考えを変えないため、カイルはチップを外してしまう。
カイルに銃を向けるサラは、自分の手のひらをなぞりながら、”君ならできる、一直線に、振り返らずに全力で行くのだ”と、彼から言われたために驚く。
サラはどこで聞いたのかをカイルに問い、記憶にないはずの過去でと言われてチップを渡される。
2017年のことを聞いたサラは、スカイネットがプログラムで動き、サーバーが起動すると止めることはできないとカイルに言われる。
納得したサラは、それを破壊することでカイルと意見が一致する。
転送の準備をする二人はジョンの話になり、カイルは、彼がは必ず生き延びると言って、会った瞬間に希望が持てた人だったとサラに伝える。
理解者がいない中で、自分を育てた強い意思の女性だったと、サラのことを話していたジョンについて語るカイルは、命を懸けて守り抜くことを彼女に誓う。
カイルになぜ真実を伝えないのかとT-800に聞かれたサラは、時が来たら話すと言って、再び”合体”のことも聞かれるが答える気にならない。
サラにハグされたT-800は、2017年で待つと言って、未来のサンフランシスコに向かう二人を見守る。
2017年、サンフランシスコ、ジェニシス起動まで1日と11時間。
全裸のままハイウェイの真ん中に現れて事故を起こしたサラとカイルは、警官に連行される。
その二人を、T-800が確認する。
護送される途中でカイルからT-800のことを聞かれたサラは、1973年に両親と過ごしていた”ビッグ・ベア湖”に、T-1000が現れて襲われたことを話す。
両親は殺されたのだが、父は最期に手のひらをなぞり、”お前ならできる、振り返らずに全力で行くんだ”と言ったことを、サラはカイルに伝える。
父の最期の言葉を知っていたカイルを信じたと言うサラは、不思議な記憶の中で、手のひらをとった自分から、その言葉を言われたことを彼から知らされる。
カイルは、その時のサラがとても美しかったと話す。
湖の桟橋に隠れていた時に、T-800が現れて救われ、何があっても自分を守ると言われたとサラはカイルに伝える。
その”マシン”の危険性を語るカイルと反論するサラは口論になり、彼女は、T-800を信じていると言って譲らない。
病院に向かったオブライエン刑事（J・K・シモンズ）は、マティアス警部補（マイケル・グラディス）とチャン刑事（サンドリーヌ・ホルト）に、今回の事件は、自分が30年間言ってきたことの証明だと伝える。
サラとカイルが1984年から来たと言うオブライエンは、二人に会いたいことをマティアスに伝えるが、相手にされない。
治療を受けるサラとカイルは、ジェニシスが全ての端末につながり、世の中の情報にアクセスできるものだと医師から知らされる。
その場に現れたマティアスとチャンは、サラの登録情報がないことを伝える。
身元が判明したカイルには、問題を起こしたために、両親により指紋が登録されていたことを知らせる。
但し、そのカイルは2004年生まれだったために12歳だった。
そこに現れたオブライエンは、1984年に会ったカイルとサラは、その時と変わっていないと言って、自分を覚えていないかをカイルに問う。
オブライエンは、サラには、命を救われたロサンゼルス市警の警官だと伝える。
カイルは、2021年に入隊した兵士だと言いながら意味不明な話をし始め、サラと言い争い騒ぎを起こして手錠を外すための物を奪う。
安全保障省に引き渡されるサラとカイルは、その場に閉じ込められるものの手錠を外す。
そこにジョンが現れたために驚くカイルは彼との再会を喜び、サラは息子と対面する。
ジェニシスを開発した”サイバーダイン”のダニー・ダイソン（ダイオ・オケニイ）は、テレビのトーク・ショーでのインタビューを受け、それが”未来”であり、世界を変え人類を守ると語る。
見張りの警官、二人を気絶させたジョンだったが、サラから本人だと証明するようにと言われる。
ジョンは自分達しか知らない話をしてサラを信用させて、その場から脱出する。
ジェニシスにより、人類は知らぬ間に滅亡に追い込まれることを、サラはジョンから知らされる。
時間軸が変わり未来から来たと話すジョンに、自分が父親だと言われたカイルは驚く。
戸惑うカイルに信実を教えたジョンだったが、現れたT-800に銃撃される。
T-800を殺人マシンだと言うカイルは首を掴まれながら、ジョンを殺すようプログラムされていることをサラに伝える。
サラはT-800に銃を向けてカイルを解放させるが、ジョンは立ち上がる。
マシンでも人間でもなく改造されたと言うジョンは、未来に起きたことを話す。
2029年。
敗北の原因を知った部下アレックスに扮していたスカイネット/T-5000が、自分の行動を阻止するために来たことを、カイルを転送した直後にジョンは知る。
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スカイネットを守るためにT-3000となったジョンは2014年に送られ、そして、明日、”審判の日”が始まるのだった。
共に未来を受け入れようとT-3000から提案され、断った場合は死ぬと言われたサラは、親が死ねば自分が生まれないと伝える。
自分達三人は時間を漂流していると説明するT-3000は、誰を殺しても構わないと言うが、サラとカイルは抵抗しようとする。
T-800がT-3000に襲いかかり、二人は格闘となり、激しい戦いを繰り広げる。
T-3000は作動したＭＲＩに引き付けられ、一旦それを止めてT-800を助けたサラは、カイルに再び作動させる。
ＭＲＩにT-3000が引き付けられている隙に、サラとカイルはT-800と共にその場を逃れる。
ジョンを人間に戻そうと考えるカイルだったが、サラはマシンだと言って反論する。
人間を分子サイズのマシンに感染させて、細胞レベルで再構築したのがT-3000であることを、T-800は二人に話す。
それが失敗して精神崩壊したのが実験段階だったことも話したT-800は、磁場で統合されているため、それを乱せばいいことを伝える。
人間に戻すことは不可能だと言うT-800の意見を聞こうとしないカイルだったが、既にジョンは人類の敵であり、救世主ではなくスカイネットだと話すサラに説得される。
サイバーダイン。
時間軸が変わったことで事件が起きず爆死を免れ、息子ダニーと共にジェニシスを開発したマイルズ・ダイソン（コートニー・B・ヴァンス）は、病院から脱出して戻ったジョン（T-3000）の協力に感謝する。
ジェニシス起動まで21時間となり、ダニーは、予約注文が10億に達したことを発表する。
武器などを準備した保管所に向かったT-800は、サラとカイルと共に戦いの準備を始める。
三人は、サイバーダインに攻撃を仕掛ける計画を考え、サラは、自分と愛し合ったカイルが、48時間以内に命を落とすことを伝える。
T-800は、外にあったスピーカーを分解して磁石を手に入れる。
現れたT-3000に攻撃を加えたサラとカイルは、T-800と共に、その場のスクールバスを奪いサイバーダインに向かう。
T-800は磁石を使い、T-3000の磁気の結合を破壊することをカイルに話す。
追撃してきたT-3000の攻撃を受けて、ゴールデンゲート・ブリッジ上で道路に投げ出されたT-800は、パトカーに激突してそれを奪う。
T-3000はバスを横転させ、落下しそうになったサラとカイルは、T-800に救われる。
警官に囲まれた三人は逮捕されて、警察署に連行される。
マティアスに質問される様子を、少年のカイルが両親と共に確認し、マジックミラー越しの男性（カイル）が父親に似ているような気がすると答える。
尋問されていたT-800は、ミラー越しのオブライエンに気づく。
その場にいたチャンがマティアスらを射殺し、T-800がミラーを突き破ってオブライエンを助けようとする。
チャンに扮していたのはT-3000だった。
腕を撃たれながらサラの元に向かったオブライエンは、彼女に説明を求め、世界を救いに来たと言われる。
オブライエンの協力を得たサラはその場から連れ出され、少年のカイルがいることに気づき、彼と両親を逃がそうとする。
動揺するカイルの手を取りなぞりるサラは、”あなたならできる、一直線に振り返らずに全力で行くのよ”と伝えて、彼らを逃がす。
カイルはオブライエンに助け出されてサラと合流し、T-800は、液化磁気ガンジェルと軍事用磁気ライフルを武器保管所から持ち出す。
屋上に向かったサラ達は、オブライエンに感謝してヘリコプターで飛び立つ。
現れたT-3000の追撃を受けながら、T-800らは”ベイブリッジ”に向かう。
サラはT-3000のヘリを銃撃し、T-800がそれに飛び移る。
ヘリはサイバーダインの正面入り口前に墜落し、T-3000は警備員を殺して建物に入る。
サラとカイルも到着し、スカイネットになるプログラムと話す。
それがT-3000になり、サラとカイルは攻撃を加える。
現れたT-800が、T-3000にヘリの部品を突き刺し、壁のモニターで身動きできないようにする。
内部に入ったT-800は、カウントダウンが加速しているとサラに言われ、プログラムが進化しているため、ジェニシスが予定より早く起動すると答える。
サラとカイルは、作業員としてこの場で働いていたと言うT-800から、完成途中のタイムマシンやプログラム前の液体金属マシンのことを知らされる。
11分後に起動することを確認した三人は、手分けをして爆弾を仕掛け、サラがT-3000に襲われる。
サラから起爆装置を渡されて爆破するようにと言われたT-800だったが、彼女を殺すことはできなかった。
カイルは、T-800から起爆装置を差し出され、サラからそれを作動させるよう合図される。
T-3000がT-800に襲いかかり、カイルから起爆装置が壊れたと言われたサラは、二人でその場から逃れる。
二人は、扉が閉鎖されたために二体のマシンの闘戦いを見守るしかなかった。
起動まで4分を切り、扉を爆破したサラとカイルは、叩きのめされたT-800を助けようとしてT-3000に立ち向かう。
T-800は磁石を手にしてT-3000を引き付け、電磁場発生器を作動させるようカイルに指示する。
カイルにサラを守るよう伝えたT-800は、T-3000と共に電磁場に巻き込まれる。
サラとカイルは安全な場所に避難し、T-800は装置から弾き飛ばされて液体金属の槽に沈む。
T-3000は、もがき苦しみながら大爆破に巻き込まれる。
爆破を免れたサラはT-800を救い出そうとするものの、カイルに無理だと言われる。
自分に関わる者が全て死んでしまうと嘆くサラは、スカイネットは滅び自由になったとカイルに言われる。
好きな人生が選べると言われたサラは、何を選べばいいのか分からないと答えるが、カイルに励まされる。
壁を突き破って入って来たT-800は、液体金属と合体してアップグレードしたことをサラとカイルに伝える。
T-3000が消滅したことを確認したカイルは、ある場所に向かおうとする。
その後、少年カイルに会ったサラは、カイルを紹介する。
カイルは少年カイルに、ジェニシスがスカイネットだと覚えておくようにと伝える。
T-800は、カイルがいい人間だとサラに伝える。
カイルから今後を聞かれたサラは、これからは自分の人世を選ぶと答えて彼にキスする。
その様子を見ていたT-800と共に、二人で選べる人生、それを探す旅に出るサラとカイルの未来は決まっていない。
サイバーダイン。
崩壊した地下では、爆破の衝撃を逃れたジェニシスのコア・システムが作動し始め、プログラムが起動する。
