到千年之交时，一种名为“虚拟现实”的技术将得到广泛应用，它能使人进入一个由电脑创造出来的、如同想象力般无限丰富的虚幻世界，它的创造者预测这种技术将为人类社会的发展发挥无数积极的作用，而有些人则担心它会被一些人利用，成为一种控制人类思想的新方法。 在美国一间“虚拟空间工厂”，安吉罗·拉瑞博士正在致力于研究一种能够迅速提高人类智商的“5号计划”。在过去的5年时间里，安吉罗博士的研究对象是几只精心挑选出来的猩猩，试验已经证明，猩猩在虚拟空间的刺激下，智商已经明显提高。可“虚拟空间工厂”的负责人蒂姆斯受到幕后投资人的指使，一直鼓动安吉罗博士通过这种方法对猩猩的原始暴力中枢神经进行刺激，以此来提高它们的攻击性，最终制造出比武器更厉害的东西。安吉罗坚定地拒绝了那些战争流氓的痴心妄想，于是投资人拒绝继续投资，安吉罗也因此遭遇了停职的困境。 安吉罗不愿放弃“虚拟空间”项目的研究，但却苦于没有研究对象，一个偶然的机会，除草人乔布出现在了安吉罗的面前。乔布患有先天性的智力缺陷，从小就被神父收养的他受尽了周围人的欺侮和白眼，只有邻居家的小孩彼得愿意跟他交朋友。但乔布天生乐观善良，安吉罗决心让乔布参与试验。 安吉罗对乔布的实验和训练进行了仅仅一个月，乔布的智商就增长了4倍，这一惊人的结果令安吉罗充满了信心，但与此同时问题也出现了，家里的研究设备已经无法满足随后的研究需要，安吉罗只好求助于蒂姆斯，希望能偷偷借用“虚拟空间工厂”的中心实验室继续对乔布的实验。蒂姆斯一方面爽快答应，另一方面却向幕后投资人告了密。 随着研究的深入，安吉罗发现乔布在提高智商的同时，也显露出了一些超出他预想的迹象，比如暴力倾向，于是他果断地中止了实验。经过调查安吉罗发现，乔布正在的注射的药物并不是自己之前配制的，而是一种直接刺激人的暴力中枢神经的药物，原来是蒂姆斯暗中调换的药物。 事实上此时的乔布已经拥有了一种“用思想控制物质”的神奇力量，他甚至借助这种力量烧死了表面仁慈、内心阴暗的神父，一直虐待他唯一的朋友彼得的父亲也没有得到好结果。安吉罗此时才意识到自己可能害了乔布，他努力说服乔布停止进入虚拟空间。但乔布已经失去了理智，他的智商甚至已经超越了安吉罗，并自行进行着实验，更令安吉罗始料不及的是，乔布正企图利用虚拟空间来获得控制整个世界的力量。紧要关头，安吉罗将炸弹安放在了中心实验室，想以此来阻止乔布进入虚拟空间。不甘失败的乔布拒绝离开实验室，在爆炸声中实验室瞬间成了一片废墟。
西尼（詹姆斯·柯本 James Coburn 饰）是一位非常有名的心理医生，总统的保卫机关找到了他，要求他成为总统的私人医生，为此，西尼和女友南（Joan Delaney 饰）被迫来到华盛顿定居。为总统工作，西尼要严苛的遵守保密协议，不可以透露半点和工作有关的信息，还要天天被特工监视，久而久之，他终于再也受不了了，于是和女友一起逃出了华盛顿。 得知西尼脱逃的消息，政府立刻派出了特工紧随其后。西尼混进了一个嬉皮士队伍中，刚刚甩掉了来自华盛顿的特工，又惹上了来自加拿大的特工。就在西尼要被绑架之际，一个叫克罗波特金（赛文·达尔登 Severn Darden 饰）的俄国特工救下了他。
天网拥有独立意识后，对创造它的人类展开血腥屠杀。此后的岁月，约翰·康纳（杰森·克拉科 Jason Clarke 饰）率领战友和天网的机器人大军进行着旷日持久的战争。在关键的一次战役过后，天网将终结者派往1984年的洛杉矶，企图杀害约翰的妈妈莎拉（艾米莉亚·克拉克 Emilia Clarke 饰）。而约翰则将自己最亲密的战友——同时也是他的生身父亲凯尔·里斯（杰·科特尼 Jai Courtney 饰）派往过去。凯尔刚刚抵达洛杉矶便遭到液态金属终结者T-1000（李秉宪 饰）的袭击。与此同时，“老爹”（阿诺·施瓦辛格 Arnold Schwarzenegger 饰）则与莎拉联手干掉了终结者T-800（阿诺·施瓦辛格 Arnold Schwarzenegger 饰）。 似乎过去的事情悄然改变，凯尔则从时间旅行中的遭遇得到灵感，与莎拉穿越来至2017年，尝试阻止天网的诞生……
