Di tahun 2003, Marcus Wright (Sam Worthington) adalah seorang terpidana mati. Sebelum ia diputuskan untuk menjalani hukuman mati, ia bertemu dengan Dr. Serena Korgan (Helena Bonham Carter) dari Cyberdyne yang menawarkan sebuah kesempatan kedua baginya. Tawaran tersebut lalu ia terima dengan keyakinan bahwa di dalam perjanjian yang ia buat dengan Dr. Korgan, organ-organ tubuh yang ia donasikan akan dimanfaatkan untuk sebuah tujuan yang mulia.
Waktu pun kemudian berpindah ke tahun 2018, di suatu masa yang kritis bagi para manusia bumi. Skynet terus memproduksi Terminator secara besar-besaran untuk memusnahkan seluruh umat manusia. John Connor adalah salah seorang dari Resistance yang masih bertahan dan terus berperang melawan Skynet beserta dengan para Terminator-nya. Dalam sebuah misi infiltrasi yang ia jalani bersama dengan pasukannya, ia tidak hanya menemukan manusia-manusia yang telah menjadi tawanan Skynet, namun juga sebuah rencana besar Skynet untuk menciptakan T-800, model Terminator terbaru yang dikhawatirkan olehnya akan menjadi sebuah ancaman baru.
Connor lalu mendatangi markas rahasia Resistance dan melaporkan penemuannya kepada pimpinan dari Resistance, General Ashdown (Michael Ironside). Ashdown menyatakan bahwa ia berencana untuk mengadakan serangan serentak terhadap markas besar Skynet di San Francisco dalam waktu kurang dari empat hari. Dan ternyata, di dalam jangka waktu tersebut, Resistance telah mengetahui bahwa Skynet memiliki daftar sekumpulan orang yang menjadi target utama untuk dihabisi. Nama John Connor berada dalam urutan kedua, sedangkan nama Kyle Reese merupakan yang berada di urutan pertama. John yang tidak menyetujui keputusan yang dibuat oleh Ashdown lalu kembali ke markasnya dan bertemu dengan teman-teman beserta dengan istrinya, Kate (Bryce Dallas Howard).
Sementara itu di lain tempat, Marcus Wright terbangun di antara sisa-sisa peperangan yang belum lama terjadi oleh kubu Resistance dan para Terminator. Dengan mengambil jaket dari salah seorang pejuang Resistance yang tewas, ia berjalan tanpa arah tujuan hingga pada akhirnya ia sampai di suatu reruntuhan kota dan bertemu dengan sebuah T-600 yang menyerangnya tanpa basa-basi. Dari situ ia bertemu dengan seorang remaja yang bernama Kyle Reese (Anton Yelchin) dan seorang anak perempuan bisu yang dipanggil oleh Kyle dengan nama Star (Jadagrace Berry). Setelah berhasil menyingkirkan T-600 yang telah menyerang mereka, Kyle menjelaskan situasi saat itu kepada Marcus yang tidak menyadari bahwa ia telah terbangun di tahun 2018. Dari sebuah transmisi radio yang mereka terima, mereka mendengarkan pernyataan dari John untuk seluruh Resistance yang tersisa di pelosok bumi, yang sebenarnya juga John tujukan guna menemukan keberadaan Kyle, ayah masa depannya.
Setelah itu, Marcus yang tengah bersama dengan Kyle dan Star, tiba-tiba berhadapan dengan para Terminator yang tengah mencari keberadaan Kyle. Berhasil lolos dari ancaman sesaat, mereka sampai di suatu tempat dengan manusia-manusia yang masih bertahan hidup. Lagi-lagi, ketenangan sejenak harus kembali diusik dengan kehadiran Terminator, yang kali ini bahkan memiliki ukuran yang jauh lebih besar dari yang sebelum-sebelumnya. Tidak hanya sukses dalam mengacak-acak persembunyian tersebut, Terminator besar tersebut pada akhirnya pun berhasil membawa Kyle dan Star. Marcus yang gagal menyelamatkan Kyle beserta dengan para tawanan kemudian bertemu dengan Blair Williams (Moon Bloodgood) yang merupakan seorang pilot dari Resistance. Blair kemudian mengajak Marcus untuk ikut bersama ke markasnya dan menemui John. Bagaimanakah kelanjutan kisahnya?