Après deux années au même endroit, Sarah Connor décide de reprendre sa cavale avec son fils John suite à un cauchemar. Une fois dans leur nouvelle ville, au Nouveau-Mexique, John reprend les cours et rencontre une mystérieuse jeune fille nommée Cameron. Dans le même temps, un Terminator se fait passer pour un professeur, et tente de tuer John en pleine classe. Cameron lui sauve la vie et n'a d'autre choix que de lui dévoiler qui elle est vraiment : elle est le cyborg envoyé par le John Connor du futur pour le protéger du Terminator...

Sarah, John et Cameron sont téléportés en 2007, et décident de stopper Skynet, en retrouvant le responsable de la création de la machine qui causera l'apocalypse... Le crâne de Cromartie passe également dans la faille temporelle. Cameron décide de mettre Sarah en contact avec la résistance, pour changer d'identité, mais à la place des résistants, ils tombent sur un Terminator. Pendant ce temps, Cromartie, le robot tueur, se recrée un corps afin de poursuivre sa mission première...

Alors que John et Cameron tentent de se fondre dans la masse à l'école, Sarah visite la veuve de Miles Dyson, afin de trouver qui est à l'origine de Skynet. Cette piste la mène jusqu'à Andy Goode, un jeune homme ayant travaillé pour Dyson. Au lycée, Cameron semble avoir des difficultés à passer inaperçue, et John tente de sauver du suicide une jeune fille, Jordan. Mais il échoue et est traumatisé par ce drame qu'il n'a pas pu prévenir. Cromartie continue sa reconstruction, et Sarah se rapproche d'Andy pour le stopper, et ainsi empêcher la naissance de Skynet.

Sarah apprend que Cromartie les a suivi en 2007. Nos héros partent donc à sa recherche, mais ils sont rapidement séparés. L'agent Ellison enquête sur le meurtre de David Lyman, chirurgien plastique. Son investigation le mène à un homme nommé George Lazlo, à qui Cromartie prendra l'apparence après l'avoir tué. John se retrouve dans une mauvaise passe, enfermé dans un abris antinucléaire avec la cargaison de coltan, le métal qui est appelé à constituer l'endosquelette des futurs cyborgs.

Andy fait participer la nouvelle version de son ordinateur à une compétition d'échecs et Sarah commence à s'inquiéter sur les capacités de cette machine. A la fin de la compétition, elle prend en chasse un homme qui semble avoir commis un meurtre, mais après une courte altercation, celui-ci est arrêté par la police. Sarah s'aperçoit qu'il s'agit d'un résistant du futur, et choisit de le rencontrer dans sa cellule. Dans le même temps, un T-888 se fait emprisonner dans le but de le tuer. Sarah rencontre le dénommé Derek Reese, et comprend qu'il s'agit en fait du frère de Kyle Reese (le père de John).

Blessé, Derek est entre la vie et la mort. Charley Dixon, sollicité par John, tente de le sauver. Derek, à moitié inconscient, revit certains évènements qui se sont produits en 2027. Il se remémore sa lutte quotidienne avec son frère Kyle, et revoyant ses derniers instants avant d'être envoyé en 2007, se souvient d'avoir rencontré Cameron dans le futur...Sarah dévoile toute la vérité à Charley, pendant que Cameron détruit l'endo-squelette du T-888 qui a tiré sur Derek.

Décidée à supprimer toute trace du terminator, Cameron essaye de retrouver la main que celui-ci s'est fait arracher. Elle s'aperçoit que c'est l'agent Ellison qui l'a en sa possession. Ce dernier continue son enquête, qui le mène à l'hôpital psychiatrique dans lequel Sarah Connor était enfermée, et au psychiatre qui s'occupait de Sarah. John visionne une cassette de surveillance de sa mère lorsqu'elle était incarcérée, ce qui lui révèle une bien fâcheuse vérité.

Derek découvre que Cameron a subtilisé la puce de Vick avant de détruire son corps, et l'accuse d'avoir indiqué au Terminator la planque de ses camarades résistants qui se sont fait tuer. John prend la défense de Cameron contre ces accusations et tente de prouver sa bonne foi, grâce aux informations contenues dans la puce. Celle ci leur dévoile l'existance d'un réseau routier qui intéresse fortement Skynet. Sarah décide de le saboter. Pendant ce temps, Cromartie vérifie dans tous les lycées la liste des nouveaux inscrits et arrive dans celui de John...

Sarah est contactée par un mystérieux business man, qui est d'accord pour lui livrer le "Turk". Sarah accepte la transaction financière, bien déterminée à récupérer cette machine... L'agent Ellison apprend qu'un agent du FBI enquête sur la même affaire que la sienne, et comprends bien vite, qu'il s'agit en réalité de George Laszlo / Cromartie, et se met à sa poursuite. Pendant ce temps, la personne détenant le Turk, s'avère être un dangereux criminel, qui tente de piéger Sarah, en menaçant John, et en augmentant le montant de la transaction.