2003年、ひとりの死刑囚が献体の書類にサインした。彼の名は、マーカス・ライト（サム・ワーシントン）。献体先は、サイバーダイン社だった。2018年。「審判の日」の核戦争を経て荒廃した世界は、サイバーダイン社が開発したスカイネットに支配されようとしていた。スカイネットは、人工知能に目覚めたコンピューター・ネットワークである。生き残った人類は抵抗軍を組織し、マシーンとの最後の戦いに備えていた。抵抗軍のリーダーであるジョン・コナー（クリスチャン・ベイル）は、「世界はまだ変えられる」と人類の決起をラジオ放送で孤独に促していた。サラ・コナーの息子という運命を背負う彼は、やがて自分の父親となるカイル・リース（アントン・イェルチン）の命をスカイネットが狙っていることを知り、彼を探し始める。一方、ターミネーターたちがさまよう荒野をたくましく生き抜く少年カイルは、核戦争のことも現在が何年かさえもわからない屈強な男・マーカスと出会った。スカイネットは、抵抗軍を内部から崩壊させるための潜入型ターミネーター「T-800」を開発していた。そのためには生体細胞が必要であり、人間を捕獲しようとする。人類捕獲型ターミネーターであるハーヴェスターは、カイルを捕えた。自分の父となるカイルを救い出すため、ジョン・コナーもスカイネットへと向かう。それを助けるのは、人間の心を持ちながらも肉体はマシーンのマーカスだった。マーカスこそ、最も初期型のターミネーターだったのだ。スカイネットでの激闘の果て、ジョン・コナーとマーカスはカイル・リースの救出に成功する。その過程で心臓に傷を負ったジョン・コナーのために、マーカスは自身の臓器移植を申し出る。人類の未来は、サラ・コナーの警告からすでに書き換えられていた。そして、人類とスカイネットの激闘は続く……。