1999年8月24日，《終結者2》的故事發生兩年后。

Sarah Connor (Lena Headey扮演) 和兒子John (Thomas Dekker扮演) 幾經周折，終于在內布拉斯加州的小鎮West Fork安頓下來。Sarah將自己的姓更改為Reese。為了掩人耳目，她甚至還打算與人談婚論嫁。Sarah的未婚夫Daniels（Tim Guinee扮演）是個老實巴交的好人，對Sarah母子的秘密完全不知情，只想快點把婚事辦妥，然后一家人過平靜快樂的生活。但是Sarah仍然念念不忘自己的 "使命" ，在睡夢中總是被世界末日的恐怖情形驚醒－－這么多年來，她的內心一直無法得到真正的安寧。

Sarah預感到不祥的事情就要發生，于是帶著心有不甘的兒子John再次踏上逃亡之路。這一次，他們來到了新墨西哥州的紅谷鎮（Red Valley）。這是個質樸得有些土氣的地方，人跡罕至，完全沒有大城市喧囂的影子。

然而，Daniels對Sarah母子的不辭而別痛苦不已。傷心之余，他決定向警方報告這起人口失蹤案。接待他的并不是普通的警察，而是一個叫做James Ellison（Richard T. Jones扮演）的FBI特工。James將Sarah的 "真實情況" 透露給Daniels－－Sarah是一個嚴重的精神病患者，她總是幻想來自未來的機器人會殺害她的兒子。此外，她對科學家Miles Dyson的死和Cyberdine系統遭到破壞負有不可推卸的責任。Daniels和James都不知道，這份《人口失蹤報告》已經引起了一名紅眼機器殺手的注意，它等待Sarah出現已經等了很久了。

紅谷鎮，剛剛適應環境的John結識了本地姑娘Cameron Phillips (Summer Glau扮演) 和代課教師Cromartie (Owain Yeoman)。John和他們相處融洽，原本以為可以從此安安心心過日子，卻沒想到這再次成為他生活的轉折點－－Cromartie竟然是一個終結者機器人，在課堂上當著眾人的面朝John開火。為了保護John，Cameron挺身而出，不幸中彈……奇跡發生了，"身負重傷" 的Cameron竟站了起來……原來，她也是一個終結者機器人，她的任務就是保護John。