Действия картины происходят в далеком 2084 году. Строитель Дуглас Куэйд (Шварценеггер) регулярно видит сны, в которых он находится на Марсе в компании милой девушки. Он решает пошерстить в анналах памяти с помощью уникальных услуг компании «Реколл», обещающей прекрасный отпуск в мире собственных воспоминаний. Дугласу вживляют память, и он готовится отправиться в необычное путешествие на Красную планету в качестве шпиона. Неожиданно обнаруживается, что у Дугласа была стерта область памяти, и его прошлое действительно было связано с Марсом. «Реколл» по новой чистит ему мозги, и бедняга отправляется домой, где его уже ждет разгневанная жена, которая пытается его убить, и излишне агрессивные коллеги по работе.
События разворачиваются спустя 20 лет после того, как Скайнет вышел из-под контроля, и наступил Судный день. Неуязвимый киборг нового поколения прибывает в наше время с миссией убить молодого Джона Коннора, будущего лидера сопротивления, которому суждено окончить войну людей и машин. Но на защиту Джона успевают отправить перепрограммированного терминатора Т-800. Теперь будущее всего человечества зависит от исхода схватки, разворачивающейся в наши дни.
В будущем стали возможны путешествия во времени. Воспользовавшись этим, преступный синдикат нашел оригинальный способ убирать «нежелательных» людей: он отправляет их в прошлое, где жертву поджидают киллеры. Таким образом, неугодные люди «стираются» из настоящего навсегда. Все идет гладко до тех пор, пока один молодой стрелок (Гордон-Левитт) не получает очередной заказ. И возникает проблема, очень большая проблема. Ибо жертва — немного постаревший он сам (Уиллис)!