
自上一部電影的事件完結後,莎拉·康纳(琳达·汉密尔顿饰)順利生下了约翰·康纳(爱德华·弗朗饰)。
11年后,莎拉·康纳则由于之前为将他培养为未来人类抵抗军的领袖来对抗“天网”为首的机器军团,并试图用炸弹破坏一家未來會製作天網系統的電腦工厂而被捕送入精神病院,由彼得·西尔伯曼(厄尔·波恩(英语:Earl Boen)饰)负责监管和治疗,10岁的約翰則与其养父母一起生活在洛杉矶。未来的“天网”这次派遣了一个新型号的終結者T-1000(罗伯特·帕特里克饰)回到这个年代试图直接终结约翰。T-1000比之前送回1984年追杀莎拉的終結者T-800更先进,由一种特殊的合金材料(英語:mimetic poly-alloy,模仿聚合金 / liquid metal,液態金屬)组成,可以在液体与固体间任意变换,並能模擬出外觀,从而整个变形模拟为其接触过的任何人或是将肢体任意部分转变为刀一类的金属利器,只不过不能转变为如枪炮、炸弹之类过于复杂或含有其它化学原料的武器,并且也和T-800一样可以完美模仿任何人的嗓音。T-1000到达1995年后,马上化身为一名警察(模拟出其全部衣装制服,但相貌并未改变)开始寻找约翰。与此同时,未来中已經成為人类抵抗军领袖的约翰·康纳也将一个被其擄獲的T-800型終結者,來再行將之重新编程,並改名T-101型終結者(阿诺德·施瓦辛格饰)送回1995年来保护年幼时的自己。
T-101和T-1000均在一家大型购物商场中找到了约翰,经过一番激战和追逐,约翰和T-101乘摩托车逃离。由于担心T-1000可能会对其困在精神病院中的亲生母亲不利,约翰命令T-101帮他前去精神病院救她出来。而莎拉·康纳在听闻“11年前血洗洛杉矶警察局的神秘男子现身一家商场”并看到照片为证且得知约翰也失踪了之后,自己也决心逃离。之后她成功逃至电梯门外,却看到给她带来无尽恶梦的「T-800(在《终结者》中,她就是被同样由阿诺德扮演的T-800追杀)」,但在经约翰的劝说,且T-101在医院中再次保护俩人逃离T-1000的追杀后,她还是逐渐接受了T-101對她們母子倆的保護。在逃往郊区的路上,经莎拉询问,T-101告诉了他们“天网”崛起的详细过程,其极其完善的人工智能技术导致1997年8月初正式上线,快速學習的“天网”在短短25天后就有了自我意识,并进而在8月29日审判日(judgment day)通过向俄罗斯发射核弹来引发核战争,这场核战争导致全世界近30亿人死亡。之后“天网”开始大量建造終結者等机器,来追杀全世界的所有幸存的人类[注 1]。在进一步的交谈中,莎拉还得知,对“天网”诞生负有直接责任的是Cyberdyne公司工程师迈尔斯·戴森(乔·莫顿(英语:Joe Morton)饰),他目前正致力于研制一种革命性的新微处理器,而这种微处理器正是“天网”的基础。
莎拉一行来到远郊一位朋友处,开始将之前藏好的武器装车再逃亡至墨西哥。但由于中间休息时又做了一个之前每天都做的核戰末日恶梦后,她决定要刺杀迈尔斯·戴森来防止“审判日”的到来。但之后来到迈尔斯家中并用枪打伤对方后,她却发现自己下不了手。这时约翰与Т-101也赶到,T-101告诉了迈尔斯事情的前因后果特别是他的研究会带来的可怕后果。然后他们从迈尔斯口中得知,其實他本人並不是關鍵所在,因為他沒有研製天網,他的工作主要是对派回1984年的T-800损毁CPU进行逆向工程来进行研究。于是他们最终决定立即前往Cyberdyne公司,销毁与该项研究相关的一些资料和模型,特别是在保險庫中T-101的受损CPU和其它任何残留。但此高調行動在警報大作下,大批警察和T-1000很快陸續赶到,迈尔斯被警察打伤,身中数弹,临死前引爆了一行放置的炸药桶,彻底摧毁了公司實驗室。接下來殘存的T-1000仍然企圖完成除掉約翰的預設目標,先后利用直升机和一辆装有液体氮气的大型卡车追杀约翰一行,并追踪至一家炼钢厂。T-101被T-1000打成重伤,但是T-1000在材料特性上有不敵溫度變化的缺點,T-101启用自身的备用电源并最终向T-1000發射榴彈並跌進炼钢炉中,在炼钢炉的高温中融化而被终结,约翰也将從保險庫取得的T-800残件投入炼钢炉中销毁。最後T-101与约翰和莎拉道别,在融入炼钢炉中销毁了自己,来防止自己的CPU和部件被用来设计出“天网”。雖然约翰非常伤心,而天網的研製變為不可能後,莎拉也终于首次满怀希望地面对未来,并相信如果一台机器也能够学会理解生命的价值,人类也许并不一定会自我毁灭。