Em 1995, John Connor está morando em Los Angeles com seus pais adotivos. Sua mãe, Sarah Connor, o preparou durante sua infância para seu futuro papel como líder da resistência humana contra a Skynet, a inteligência artificial que manterá o controle dos mísseis nucleares dos Estados Unidos e iniciará um holocausto nuclear em 29 de agosto de 1997, data conhecida a partir de então como “Dia do Julgamento”. No entanto, Sarah foi presa e encarcerada em um hospital psiquiátrico após uma tentativa de bombardear uma fábrica de computadores. Em 2029, a Skynet envia um novo Exterminador para o passado, designado como T-1000, que volta no tempo com a missão de matar John. O T-1000 é um protótipo avançado feito de metal líquido (referido como “poligonal mimética”) que é capaz de assumir a forma e a aparência de quase tudo que toca e de transformar seus braços em lâminas. O T-1000, ao chegar no ano de 1995, mata um policial e assume sua identidade; ele também usa o computador da polícia para rastrear o paradeiro de John. Enquanto isso, o futuro John Connor envia de volta um outro Exterminador, Modelo 101, reprogramado para proteger seu eu mais jovem.

O 101 e o T-1000 encontram John em um shopping center, dando início a uma perseguição a qual John e o 101 escapam juntos em uma motocicleta. Temendo que o T-1000 mate Sarah para chegar até ele, John ordena ao Exterminador que ajude a libertá-la, após descobrir que o 101 deve seguir suas ordens. Eles encontram Sarah enquanto ela está fugindo do hospital, embora ela inicialmente esteja relutante em confiar no Modelo 101 (uma vez que ela pensa que ele quer matá-la como no primeiro filme). Após o trio escapar do T-1000 em um carro da polícia, o Exterminador informa John e Sarah sobre a história da Skynet; através das informações passadas pelo 101, Sarah descobre que o homem mais diretamente responsável pela criação da Skynet é Miles Bennett Dyson, um engenheiro da Cyberdyne Systems que trabalha em um novo microprocessador revolucionário que formará a base para a Skynet.

Sarah pega as armas de um velho amigo e planeja fugir com John para o México, mas depois de ter um pesadelo com o Dia do Julgamento, ela decide matar Dyson para evitar que a tal data ocorra. Ao encontrá-lo em sua casa, ela o fere, mas não consegue matá-lo na frente de sua família; John e o Exterminador chegam e informam Dyson sobre as consequências futuras de seu trabalho. Eles descobrem que grande parte de sua pesquisa foi submetida a engenharia reversa a partir da CPU danificada e do braço mecânico direito do Exterminador anterior que atacou Sarah em 1984. Convencendo-o de que esses itens e seus designs devem ser destruídos, eles invadem o edifício da Cyberdyne, recuperam a CPU e o braço e colocam explosivos para destruir o laboratório de Dyson para, dessa forma, acabar com todas as chances de criação da Skynet. A polícia chega e Dyson leva um tiro fatal, mas antes de morrer ele aciona um interruptor improvisado que detona os explosivos. O T-1000 persegue o trio sobrevivente, eventualmente encurralando-o em uma usina siderúrgica.

O T-1000 e o Modelo 101 lutam e o modelo mais avançado danifica seriamente e desliga o Modelo 101; no entanto, sem o conhecimento do T-1000, o Modelo 101 volta a ficar online usando uma fonte de alimentação alternativa. Sarah tenta sem sucesso jogar o T-1000 em um tanque de aço derretido com tiros de espingarda; quando está prestes a matar John, o Modelo 101 surge e atira nele com um lança-granadas, fazendo-o cair no poço de aço quente onde ele se derrete e se dissolve, sendo finalmente destruído. John joga o braço e a CPU do Exterminador de 1984 no tanque também, mas o Modelo 101 explica que sua própria CPU também deve ser destruída para garantir que a Cyberdyne não possa usá-la para fazer a engenharia reversa da Skynet. Agindo contra os pedidos e apelos chorosos de John, o Modelo 101 se despede, faz Sarah colocá-lo no tanque, uma vez que ele não pode agir para se auto destruir, e dá um último sinal de positivo antes de afundar no poço quente, sendo também destruído. Sarah dirige por uma rodovia à noite com John, refletindo sobre sua esperança renovada para o futuro com base nas ações do Modelo 101.