Cansada de fugir de assassinos do futuro e policiais do presente, Sarah Connor decide se preparar para lutar contra as máquina do futuro que tentam sumariamente eliminá-la assim como a proteger seu fi...
Em 1999, após os eventos ocorridos em Terminator 2: Judgment Day, Sarah Connor e seu filho, John Connor, agora com 15 anos, estão fugindo da polícia. Contudo, quando o exterminador Cromartie aparece na escola de John, outro exterminador surge para proteger e levar a família Connor ao futuro, oito anos depois. Já em 2007, eles vão tentar destruir a Skynet, sistema que irá declarar guerra contra a humanidade.
Três dias depois de chegarem ao ano de 2007, Cameron leva Sarah para obter novas identidades de alguns integrantes da resistência que foram enviados de volta. Encontram três deles mortos e outro exterminador, então procuram Enrique para conseguir as novas identidades. Entretanto, John fica frustrado por ter que esperar em casa e Cromartie dá início a sua reconstrução.
Sarah segue o rastro das novas criações da Skynet e envolve-se com um vendedor de celular que construiu um computador capaz de jogar xadrez. John e Cameron tentam permanecer imperceptíveis no novo colégio, mas encontram dificuldade após John tentar convencer uma garota a não cometer suicídio. Cromartie vai a um cientista especializado em regeneração celular para ajudá-lo a desenvolver um corpo e o agente Ellison tenta resolver o caso dos três integrantes da resistência mortos.
Enquanto procuram pela carga roubada, John se separa de Cameron e Sarah. Eles percebem que o futuro será bastante inseguro.
Quando Andy envia seu computador para uma disputa de xadrez, Sarah se preocupa com a capacidade do programa e fica cara a cara com alguém que está muito ligado com sua história. Cameron recebe assistência estudantil. John faz um novo amigo e o agente Ellison acha alguns pedaços de metal após a batalha dos exterminadores.
Derrek Reese, o irmão de Kyle Reese, relembra a vida no futuro e sua guerra pessoal contra as máquinas. Sarah tenta explicar o passado a Charley. Cameron destrói o endoesqueleto, mas mantém secretamente a CPU do T-888, desobedecendo uma ordem direta de Sarah Connor para destruir todas as partes da máquina.
Sarah invade o apartamento do agente Ellison à procura da mão de T-888, mas acaba encontrando alguns documentos e vídeos da época em que esteve internada. Os arquivos levam ao doutor Silberman. Ellison coloca sua vida em perigo ao tentar descobrir mais sobre a mão. Cameron entra na aula de balé de Maria Shipkov, irmã de Dmitri, para tentar encontrar o novo dono do "Turk". John entende o motivo que levou sua mãe a fugir do hospital.
John defende Cameron contra a acusação feita por Derek e Sarah negocia com um sujeito misterioso a respeito do "Turk". O agente Ellison descobre toda a verdade.
Sarah, John, Cameron, e Derek trabalham juntos para destruir a futura rede de vigilância da Skynet. As negociações do "Turk" vão além do que todos imaginavam. O agente Ellison e a SWAT tentam derrubar o impostor do FBI. Derek dá um presente de aniversário a John e o futuro de Cameron fica indefinido.
Abalado pela explosão do Jipe, o 16º aniversário de John o força a confrontar a realidade de seu destino sozinho. Enquanto isso, o agente Ellison encara sua fé e os federais apóso massacre de Cromartee, e uma nova personagem é introduzida, Catherine Weaver, que é a CEO de uma corporação high-tech e um T-1001 disfarçado, mandado para garantir a criação da Skynet.
Sarah, Derek e Cameron invetigam uma planta de energia nuclear, e John faz uma nova amiga. Enquanto isso, Catherine Weaver continua com seu novo projeto.
Cromartie sequestra a esposa de Charley, e Sarah e Derek tentam resgatá-la, enquanto John se encontra preso entre Cameron e Riley.
Cameron perde sua memória temporariamente e acaba descobrindo memórias antigas. Ellison descobre informações sobre Catherine Weaver.
John e Derek protejem um futuro membro da resistência em uma academia militar. Weaver dá à Ellison seu primeira missão.
Sarah, John e Cameron procuram por um outro nome em sua lista. Enquanto isso, Derek recebe um visitante de seu passado.
Os connors são roubados os deixando em alerta máximo, um exterminador chega muito proximo a jonh enquanto outro aterroriza o agente elison.
John e Riley enfrentam consequencias fatais em sua viagem ao mexico. Sarah finalmente encontra o agente Elison.
Sarah têm experiências de déjà vu, quando ela tem pesadelos perturbadores, o que significa problemas para Sarah e John. Derek e Jesse procuram por um colaborador da Skynet.
Sarah se encontra com o Turk. Jesse enfrenta alguns problemas em seus planos. Ellison tem uma reunião surpresa com alguém poderoso através de Weaver.
Um Exterminador enviado na hora errada provoca resultados catastróficos de mudar a história.
Sarah e Cameron tentam salvar uma família cujo destino está ligado com o de Derek no futuro. Jesse luta por sua vida.
A obsessão de Sarah continua com os três pontos e a leva a um blogueiro com conhecimentos profundos sobre o símbolo. Enquanto isso, Riley e Cameron se enfrentam.
Sarah ganha força a partir de imagens de Kyle Reese, pai de John, enquanto ela está ferida. Weaver tenta salvar John Henry.
Sarah, John, Cameron e Derek vão em busca de pistas ligadas a uma fábrica que foi demolida. Weaver envia um homem para o mesmo lugar para procurar por sobreviventes.
Sarah é forçada a procurar ajuda pelos seus pesadelos em uma clínica. Ela tenta descobrir o próximo passo da Skynet.
Cameron cria perigo para todos com suas falhas. Riley teme que seu segredo seja descoberto.
Jesse deixa Serrano Point em 2027 para uma nova missão a bordo de um submarino nuclear. Sarah e John suspeitam de Cameron na morte de Riley. Ellison e Weaver tem de jogar um jogo com John Henry para encontrar a desaparecida Savannah.
A missão de Jesse toma um rumo para o pior, o que resulta em conseqüências inesperadas para Sarah, John e Derek. Enquanto isso, Sarah lida com Cameron e John faz uma decisão muito importante.
Sarah esconde John com Charley Dixon, a única pessoa que ela acha que pode confiar. Enquanto isso, Derek se esforça para trabalhar junto com Cameron, e alguém compromete John Henry, colocando os esforços de Catherine Weaver em risco.
John está um passo mais perto de capturar Weaver enquanto está em sua missão para resgatar o mais recente alvo da Skynet. A reunião de Sarah e Ellison faz uma mudança em seu plano. Weaver descobre o segredo de Ellison.
Os Connors enfrentam Weaver cara-a-cara em um confronto que mexe com John e muda sua realidade para sempre. Nada mais será o mesmo.
