Uma década se passou desde que John Connor (Nick Stahl) ajudou a evitar o dia do "Julgamento Final" e a salvar a raça humana da destruição. Agora, com 25 anos, Connor vive nas ruas, sem casa, sem cartões de créditos, sem celular e sem emprego. Sem registros de sua existência. Sem ter como ser rastreado pela Skynet, que é uma rede altamente desenvolvida de máquinas que já tentou matar Connor e travar uma guerra contra a humanidade.

Até que das trevas do futuro, surge T-X (Kristanna Loken), a máquina mortífera cyborgue mais sofisticada jamais criada por Skynet. Enviada de volta ao passado para concluir a missão inacabada por sua sucessora, a T-1000. A crueldade desta máquina só se iguala à beleza de sua aparência humana.

Agora, a única esperança de sobrevivência de Connor é o Exterminador (Arnold Schwarzenegger), seu misterioso ex-assassino. Juntos eles terão que derrotar a tecnologia superior do T-X e evitar a eminente ameaça do dia do "Julgamento Final" ou enfrentar o apocalipse e a destruição da civilização.