Действие фильма происходит спустя девять лет после событий предыдущей части. После взрыва здания компании «Кибердайн Системс» будущее изменилось, и Судный день не наступил, однако выросший Джон Коннор продолжает ощущать опасность и ведёт полуподпольную жизнь. Воспитанный как будущий лидер сопротивления и внезапно потерявший цель жизни, он не может найти себя в мирной действительности.
Между тем Скайнет, уже созданный в военной лаборатории, готовит уничтожение человечества и уже начал атаку на людей — запустил в интернет опасный компьютерный вирус. В 2004 год снова прибывают двое терминаторов. Скайнет, не сумев вычислить местоположение Джона, приказывает убить его ближайших соратников. Эта миссия поручена новой модели — T-X. Она имеет внешность молодой девушки и представляет собой комбинацию жёсткого скелета из гиперсплавов (как Т-800) и внешнего покрытия из «мимикрирующего полисплава», из которого целиком состоит T-1000, позволяющего мгновенно менять внешность. По сравнению с Т-1000 она более уязвима и ограничена в изменении формы, но при этом не подвержена баллистическому шоку, то есть ни на мгновение не выходит из строя при попадании пуль, к тому же обладает встроенными в её тело многочисленными видами оружия (терминаторы других типов пользовались обычным, отдельным от них оружием, хотя в первом фильме показано что Т-800 мог пользоваться и без оружия, а Т-1000 использовали ближнее оружие). Ей противостоит посланный Сопротивлением слегка модернизированный терминатор Т-850 модель 101. По чистой случайности Джон встречается с одним из фигурантов списка T-X — ветеринаром Кейт Брустер. Её отец, генерал Роберт Брустер, является куратором проекта Скайнет. В ходе преследования Джон узнаёт, что ядерная война начнётся вечером текущего дня. Джон и Кейт уговаривают Терминатора попробовать, как и в прошлый раз, предотвратить катастрофу, но они не успевают.