Действие начинается в 2029 году, когда Скайнет находится на грани поражения от рук Сопротивления во главе с Джоном Коннором (Джейсон Кларк). Скайнет в отчаянной попытке изменить ход истории отправляет своего Терминатора (модель Т-800) назад в 1984 год, чтобы убить Сару Коннор (Эмилия Кларк) и тем самым предотвратить рождение Джона Коннора. Джон отправляет своего самого верного соратника, Кайла Риза (Джай Кортни), назад во времени, чтобы защитить Сару, как это происходило в оригинальной версии событий.
Однако по прибытии в 1984 год, Кайл обнаруживает, что временная линия полностью изменилась. В этой новой реальности Сара Коннор уже знает о Скайнете и будущем. Она была воспитана и защищена Терминатором (Арнольд Шварценеггер), которого она называет «Папс». Этот Терминатор был отправлен назад в ещё более ранний момент времени для защиты маленькой Сары. Вместо наивной и беззащитной девушки, которую Риз ожидал найти, Сара Коннор — хорошо подготовленная воительница, готовая к борьбе с машинами.
Теперь Сара, Кайл и стареющий Терминатор объединяют усилия, чтобы не только уничтожить Скайнет, но и предотвратить запуск системы «Генезис», которая является новой формой Скайнета в альтернативной временной линии. «Генезис» — это глобальная операционная система, которая в скором времени будет подключена ко всем устройствам на планете и станет ядром Скайнета.
Однако главная угроза возникает, когда Джон Коннор, возвращённый Скайнетом к жизни как киборг-гибрид, становится их врагом. Джон был заражён нанотехнологиями Скайнета и теперь представляет собой мощнейшего врага, способного адаптироваться и регенерировать. Он стремится реализовать план Скайнета, став его новым орудием.