Los Angeles, 1994.
Sono trascorsi dieci anni dai fatti di sangue causati dalla caccia del Terminator alla madre di John Connor, Sarah. Sarah Connor è rinchiusa in un manicomio criminale da quando, dopo la nascita del figlio, ha tentato di far esplodere una fabbrica di computer e di armamenti militari destinati al progetto riguardante il supersistema informatico Skynet. Tutti quanti la ritengono una psicotica, in quanto parla di continuo della fine del mondo che avverrà, secondo quanto narrato dal defunto fidanzato Kyle Reese, il 29 agosto 1997.
Il figlio di Sarah, John, è ora un ragazzo sbandato, in affido presso una famiglia normale di Los Angeles.
Dal futuro giungono due Terminator, un modello T-800, endoscheletro metallico ma tessuti vivi, identico a quello inviato dieci anni prima per uccidere Sarah, con l'incarico di proteggere il giovane John, e un modello T-1000, un modello moderno composto di metallo liquido capace di assumere le sembianze di chiunque o di qualsiasi oggetto di massa analoga con cui egli venga a contatto, oltre che modellare parti del proprio corpo in armi da taglio (le armi con ingranaggi o componenti chimiche, come pistole e bombe, come lo stesso T-800 spiega non possono essere riprodotte).
Il T-800 rintraccia John presso una sala giochi, salvandolo dal T-1000 vestito da poliziotto. Dopo una rocambolesca fuga, il Terminator spiega a John la situazione: il John Connor del 2029 compierà un'incursione in una base dei cyborg di Skynet e lo riprogrammerà perché svolga il compito di difensore di sé stesso nel 1994 dal T-1000 inviato dal micidiale network.
Temendo per la vita della propria madre, Connor ordina al T-800, obbligato ad ubbidire ai suoi ordini, di recarsi al manicomio criminale in cui è rinchiusa, e la raggiungono proprio mentre lei sta progettando un'evasione. Prevedendo questa mossa, il T-1000 li raggiunge e tenta di uccidere tutti e tre. Scappati a bordo di un'auto rubata, essi viaggiano per il deserto della California, dove intendono raggiungere un vecchio amico di Sarah, un contrabbandiere di armi pesanti di nome Enrique Salceda.
Durante il tragitto, Sarah si fa dare dal Terminator un insieme di informazioni storiche sui fatti del 1997 che porteranno allo scoppio della guerra nucleare. Il cyborg le svela che l'uomo più direttamente responsabile si chiama Myles Dyson, il direttore della Cyberdyne Systems Corporation, il quale, dieci anni prima, rinvenne i rottami del primo Terminator , da cui sono partite le ricerche per lo sviluppo di un esercito di Terminator, lo stesso che nel futuro daranno battaglia all'umanità, nonché alle ricerche che negli anni novanta stanno portando alla creazione di Skynet su commissione del governo degli Stati Uniti.
Decisa a cambiare la storia, Sarah scappa di nascosto con l'intento di uccidere Dyson prima che le ricerche abbiano conclusione. John e il T-800 la fermano in tempo, e mettono Dyson al corrente di ciò che le sue ricerche causeranno al mondo nel giro dei prossimi anni.
Nella notte, i quattro raggiungono la Cyberdyne Systems, facendo esplodere l'intera struttura e portandosi via i rottami del primo Terminator, ma l'intervento della polizia, e del T-1000, complica loro le cose. Myles Dyson muore durante l'esplosione del suo stesso centro di ricerca.
Riusciti a fuggire, i tre si rintanano in una fonderia, dove affrontano il cyborg formato da una lega cosiddetta polimetallico-mimetica, che per poco non elimina il T-800. Proprio mentre il T-1000 sembra avere il sopravvento, l'obsoleto T-800 riesce a farlo cadere in una vasca di acciaio fuso, dove viene disintegrato.
Anche il T-800, insieme ai rottami sottratti alla Cyberdine Systems, incapace di auto-terminarsi, si fa calare nella vasca di acciaio fuso: è infatti importante che ogni campione di tecnologia cibernetica e informatica venga distrutta, altrimenti non vi sarà speranza di cambiare gli eventi apocalittici del 1997. John Connor piange per la morte del Terminator.
Il film si chiude con una frase di Sarah Connor:
Il futuro, di nuovo ignoto, scorre verso di noi, e io lo affronto per la prima volta con un senso di speranza, perché se un robot, un Terminator, può capire il valore della vita umana, forse potremo capirlo anche noi.