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2029年。人工知能スカイネットが世界を支配し、殺人マシン・ターミネーターが生き残った人間たちを次々に抹殺していた。
だが、ジョン・コナー（ジェイソン・クラーク）率いる人類抵抗軍は激しい戦いの末、機械軍にとどめを刺そうとしていた。
敗北を悟った機械軍は、最終手段としてT-800型ターミネーター（アーノルド・シュワルツェネッガー）を1984年に転送し、ジョンの母サラ・コナーを抹殺してジョンの存在を消そうとする。
抵抗軍側はサラ抹殺を阻止すべく、ジョンの右腕、カイル・リース（ジェイ・コートニー）を同じく1984年に転送。
1984年のロスに出現したT-800を、同じ顔だが年を取った守護者が出迎える。
2体のT-800は激しく戦い、なんとかマシンの破壊に成功する。
一方、過去に着いたカイルは、いきなりT-1000型ターミネーター（イ・ビョンホン）という新型マシンの執拗な襲撃にさらされる。
彼の窮地を救ったのは、女戦士となったサラ・コナー（エミリア・クラーク）と彼女の守護者、年老いたT-800だった…。
その後、カイルがサラに事情を聞き、歴史が変わっていたことを知る。
９歳のサラのもとへT-1000がやってきて彼女を殺そうとしたが、その時にT-800に救われ、それ以来彼に育てられていたのだ。
そして、2017年に起動するスカイネットを止めるため、サラたちは自家製の時空川下り装置で全米川下り選手権に向かうことにするが…。