凯尔·里斯被传送的一瞬，脑海中突然闪回了许多陌生的记忆。而到达了1984年之后，凯尔竟然遭遇了一台T-1000的追杀，更令人惊讶的是，前来搭救自己的竟然是虽然年轻却早已是一位老练战士莎拉·康纳，以及她的监护人，一台被莎拉称呼为“老爹（pop）“的老T-800。

在处理掉T-1000和天网传送过来的T-800后，凯尔意识到这条时间线的走向与他所熟知的完全不同，于是他想办法说服了准备用简易时间传送机器前往未来扼杀天网的莎拉，将时间轴坐标设定为他闪回记忆中提到的2017年。而有机外皮损坏无法同行的老爹则操作机器将二人送走，承诺在二人传送的时间点接应二人。

抵达2017年后，凯尔和莎拉因为裸体被传送到一座高架桥而被警方当作可疑分子押送到了医院，正当二人设法自救是，约翰·康纳竟然出现了。他引导将两人离开医院，在地下停车场，约翰直接点明了凯尔·里斯就是自己的父亲，还表示“这次，我们会赢的”。正当一家三人团圆之际，T-800，老爹却突然出现并用霰弹枪射击了约翰。

然而，被击倒的约翰并没有死亡，从他伤口流出的“鲜血”都化作了黑色的磁力粒子回到了他身上。约翰站起身，向大家表明自己确实是约翰·康纳，在未来凯尔看到他被袭击后，约翰被自称是天网的Alex(T-5000)利用一种名为Nano-Phase Matter的物质感染并改造，变成如今的T-3000。虽然约翰·康纳的意识保留下来，但已经遭到洗脑，所以他的观念发生了改变。他来到过去的目的是为了创造Genisys（创世纪）系统，即是日后的天网。他还强调自己“不是人类，也不算机器，比两者更强”。

被洗脑的约翰·康纳已经不再是人类的希望，反而想要促成天网的诞生，他还邀请凯尔和莎拉加入自己，甚至还威胁道，自己现在如果需要，也会亲手杀掉父母。在被凯尔和莎拉拒绝后，老爹上前与之战斗，二者缠斗之下被一台医院里的核磁共振仪吸附住，由于T-3000的身体构造使得他受到的磁力影响比老爹更大，使得凯尔·里斯等人得以成功逃脱。

凯尔等人逃脱后在一个隐蔽的军火库正补充武器，正当他们打算离开的时候，T-3000再度出现，劝说父母放弃攻击天网，不过被莎拉·康纳再次拒绝，莎拉用榴弹轰击T-3000连带着引爆了军火库，随后二人与老爹会合，乘上一辆巴士前往赛博坦公司。

约翰·康纳从爆炸中走出并继续追击三人，途径金门大桥时，T-3000攀附在莎拉等人乘坐的巴士底部破坏了巴士底盘，使得巴士险些坠下大桥。当T-3000试图靠近凯尔·里斯时，凯尔用老爹制作的简易电磁铁拳套击打了T-3000，使得其磁力失衡并随着巴士车坠入水中，而凯尔等人则被大桥上包围的警察逮捕。三人被抓捕到警局，康纳伪装成一名女警也混入警局，但被老爹识破，双方再次大打出手。在当年同样遭到过T-1000袭击的老调查官欧布莱恩的帮助下，凯尔等人取回了装备，并乘坐一架直升机直奔赛博坦公司总部，T-3000同样在后面紧追不舍。

在抵达赛博坦公司并设置好炸弹后，老爹等人与T-3000展开了最终的战斗。此时的Genisys系统已经逐渐进化为天网，它控制着公司的防护门分割开了莎拉凯尔，而孤军奋战的老爹则被解放机器人形态的T-3000完全压制。关键时刻，莎拉和凯尔及时打破了创世纪设下的禁锢并协助老爹将T-3000压制在了未完成的时空穿梭装置上，通过机器的能量场，T-3000终于被消灭

炸弹被引爆，赛博坦公司被炸毁，全球的Genisys系统也全部下线，一切似乎结束了。但在结尾彩蛋，天网却并没有被完全消灭，它的核心依旧存在于公司地下，故事还没有结束……