在詹姆斯·卡梅隆创造的这个终结者宇宙当中，人类创造了一种名为天网（SkyNet）的人工智能。原本美国国防部希望利用它建立全自动化的防御网络系统，避免人性的天然缺陷而导致的执行力不足，但是天网的自我意识觉醒之后将人类判定为对自身的威胁，进而发动核战将大部分人类消灭，幸存的人类在约翰·康纳的领导下建立抵抗组织同天网生产的机器人作战，整个《终结者》系列就是围绕这样的背景而展开的。
2029年，约翰·康纳领导的反抗军成功捣毁了天网位于科罗拉多州的夏延山基地，天网意识到约翰的巨大威胁，派出一台T-800终结者机器人回到1984年的洛杉矶，企图杀掉约翰·康纳的母亲莎拉·康纳以阻止约翰的出生。
在夏延山基地发现了天网的企图之后，抵抗军中的一名战士凯尔·瑞斯自愿乘坐时间机器回去保护莎拉。两名时空旅行者先后抵达了1984年的洛杉矶，凯尔·瑞斯在一家夜总会救下了差点被T-800处决的莎拉。经过几次死里逃生，莎拉终于接受了这个玩笑般的事实：有来自未来的杀手机器人正以自己为目标，而且它们真正的目标居然是她尚未出生的儿子。
面对刀枪不入的T-800，来自未来的凯尔只能勉强应付。不过两人在逃亡过程中互生情愫，凯尔向莎拉坦诚，自从看到约翰保存的照片后就迷上了她，两人居然还忙里偷闲在旅馆干柴烈火了一番。
为了保护莎拉，凯尔将一枚炸弹塞进T-800的骨架，爆炸摧毁了终结者的下肢，但是也导致凯尔被震波杀死，悲痛的莎拉用液压机将终结者彻底压碎才得以幸存。
几个月后，莎拉在墨西哥流亡。此时她已经有几个月的身孕，孩子的父亲正是来自未来的凯尔·瑞斯。
在84年洛杉矶事件之后，T-800的残骸最终被美国国防部的下游承包商赛博坦公司（Cyberdyne Systems）回收，以迈尔斯·戴森为首的工程师团队对T-800的CPU进行逆向研究后，研制出一种革命性的微处理器，而这种微处理器正是“天网”的基础核心。
与此同时，莎拉·康纳则一边带着儿子四处流亡，一边教导约翰各种武器和军事知识，为即将到来的“审判日”做准备。期间莎拉因为企图破坏电脑工厂而被送入了精神病院，约翰只能居住在政府指定的养父母家中。
如莎拉预料的那样，天网对约翰·康纳的追杀并没有停止，一个更为先进的终结者型号T-1000被送回1995年，它们由一种叫做“拟态多元合金”的液体金属构成，能够随意地改变和模仿人类的外形，是最强大的“渗透型”终结者。
为了反制天网的行动，未来的抵抗军适时地将一台被俘虏的T-800重新编程，送回来保护未成年的约翰·康纳。战斗在旧型号和最新的液态终结者之间展开，经过一番激战和追逐，约翰和T-800乘摩托车逃离。由于担心T-1000可能会对精神病院中的莎拉·康纳下手，约翰要求T-800帮他救出自己的母亲。
带着两人逃避追杀的路上，T-800向约翰和莎拉介绍了天网崛起的详细过程。人工智能将在两年后，也就是1997年正式上线，并且天网的自我学习能力让它在短短25天内就拥有了自我意识，在8月29日对人类展开突袭，也就是未来人们定义的审判日（judgment day）。
莎拉决定前往赛博坦公司刺杀迈尔斯·戴森来阻止天网的崛起，但是她不忍心就这样杀死一个无辜之人。了解到自己的工作会对人类造成的毁灭性后果，迈尔斯·戴森决定帮助莎拉她们摧毁赛博坦公司和一切关于天网的研究资料。不过这个高调的行动引起了T-1000的注意，它很快追杀而至，将众人逼至一座炼钢厂。T-800利用“拟态多元合金”对温度变化适应力较差的缺点，将T-1000投入高温炼钢炉杀死了对方，而它自己也在同莎拉和约翰告别之后投入炼钢炉自杀，避免自己的技术被其他人利用而导致新的天网出现。
虽然“审判日”被莎拉·康纳成功阻止，但是三年后的1998年，约翰·康纳依旧在危地马拉被T-800终结者杀害，进而导致未来再一次被改变。
2023年左右，一种全新的人工智能“军团”（Legion）出现并且拥有了自我意识，开始了类似“审判日”的大清洗。
2020年墨西哥城，女学生丹妮娜·拉莫就是军团REV-9终结者的目标之一，幸好有同样来自未来的抵抗军改造战士格蕾丝的帮助，丹妮娜才得以脱险。
在摆脱REV-9追击的过程中，莎拉·康纳再次出现，用重武器暂时击退终结者的进攻。约翰·康纳死后的二十多年时间里，莎拉一直在透过不定期的神秘信息猎杀被传送而来的终结者。
格蕾丝通过莎拉的手机发现了信息源，众人前往那里，却发现这些年发送坐标信号的人其实就是当年杀死约翰的T-800终结者。该终结者自称为“卡尔”，杀死约翰后却没有等来天网的进一步指令，因此逐渐对自身目标和存在的意义产生了怀疑（T-800神经元式的CPU让它拥有相比其他终结者型号更强的“自我意识”）。
在之后的二十多年时间里，卡尔不断学习人类文化而开始展现人性，甚至通过帮助一个遭受家暴的妇人而过上了“家庭生活”。正是卡尔将自己感受时空交叉出现的震波所获得的位置标记提供给莎拉，让她通过不断猎杀其他终结者来维持存在的意义。
四人决定结成同盟共同面对军团派来的终结者，他们让丹妮娜作为诱饵吸引终结者的注意，用美国军方的电磁脉冲武器摧毁REV-9的核心。在最后水坝底部的决战中，格蕾丝和卡尔先后牺牲了自己和强大的REV-9终结者同归于尽。
虽然军团的杀手暂时被阻止，但“审判日”依旧会到来，莎拉和丹妮娜回到美国看望年幼的格蕾丝，并开始为即将到来的黑暗命运做准备。
从《终结者3》开始，以及下文提到的《终结者：救赎》和《终结者：创世纪》都属于脱离主线的平行时空剧情。
95年赛博坦公司被彻底摧毁之后，“审判日”没有到来，但是莎拉却因为患上白血病，很快就去世了。从此以后约翰·康纳过着与世隔绝的生活，但意外的是，到了2004年又有一名来自未来的终结者T-X前来消灭包括约翰在内的所有抵抗军骨干。
T-X是结合了T-1000“拟态多元合金”和T-900超合金内骨骼技术的混合体，还能够通过释放纳米机器人来控制其他的机械设备。
为了反制天网的行动，抵抗军也派遣了和T-800一模一样的T-850终结者回到2004年，保护T-X的最后两个目标，约翰·康纳和与他未来的妻子兼副领袖凯特·布鲁斯特（未来2032年，约翰被这台T-850刺杀，正是凯特将其俘虏并重新编程送回了2004年）。
约翰和凯特从T-850那里得知，赛博坦公司覆灭后，天网并没有彻底消失，而是被军方秘密接管并且已经基本开发完毕。莎拉·康纳在1995年所做的一切只是延缓了天网的进程，“审判日”的到来无法改变。
同时T-850还告诉他们，凯特的父亲罗伯特·布鲁斯特就是军方重启天网的负责人。为了抵御一种在全球互联网泛滥的电脑病毒，罗伯特不得已启动天网接管了美国的国防系统。
但没想到天网早有预谋一般迅速控制了基地内的自动防御武器（第一代终结者）开始屠杀人类，重伤的罗伯特对开启了全人类的潘多拉魔盒感到十分后悔，他在临死前告诉凯特，天网的主机藏在内华达州的一座防核基地中，如果他们赶去或许还能摧毁天网。
但是当凯特和约翰摆脱T-X的追杀乘飞机来到那座基地后，却发现那里只是一个避难所，根本没有天网的主机，凯特意识到父亲这样做只是为了确保她的安全。而此时基地外，天网已经获取了全世界核弹头的控制权，并且开始向各个主要城市发射，超过三十亿人瞬间灰飞烟灭。
意识到这一点之后，约翰和凯特决定携手向全世界幸存的人类发出信号，号召所有人站出来对机器展开反击。
时间前进至2018年，地球已经成为一片废墟，约翰·康纳和凯特以及其他抵抗军成员依旧在为人类的命运而战。约翰在突袭一座天网基地时发现了一种拥有人类活体组织特征的渗透形终结者设计图（即之前影片中出现的T-800）。在约翰·康纳撤出该基地后没多久，那里就被天网用战术核弹摧毁了。
天网破坏那处基地其实是为了避免抵抗军发现隐藏在更深处的秘密，一个用人类死囚马库斯·莱特身体改造而来的半机械生化人，T-H型终结者。
马库斯在“审判日”降临之前就被赛博坦公司用作人体实验样本，所以他刚开始并没有意识到自己已经被改造成生化人。
与此同时，抵抗军内部发现天网正在建立一份“死亡名单”，打算将地球上依旧存在的抵抗军重要人物一一铲除，约翰在名单上排列第二，位列第一的目标是凯尔·瑞斯。抵抗军的其他高层并不清楚凯尔的重要性，但约翰知道凯尔其实就是自己的父亲并且最终会回到1984年救下自己的母亲莎拉·康纳。
约翰得知凯尔·瑞斯已经被天网意外抓获，马库斯为了证明自己并不是天网的傀儡，愿意帮助约翰进入天网基地救爹。随后马库斯利用自己的脑机接口关闭了天网的防御系统，让约翰得以进入基地营救凯尔，还意外地发现了基地内的T-800生产线。
在马库斯的帮助下，约翰成功引爆了几枚T-800的核燃料电池，将基地内的T-800全部摧毁，但是约翰在战斗中心脏严重受损，生命垂危。最后马库斯选择牺牲自己，为约翰提供心脏移植，完成了自身的救赎。
2029年，抵抗军在约翰·康纳的领导下拯救了无数被机器迫害的人类，人类终于开始向天网展开最后的攻击，当人类军队终于攻破天网防线，发现了天网所谓的“终极武器”其实就是它们研制的时间机器。意识到天网可能会回到过去将人类的抵抗军成员提前扼杀，约翰·康纳决定派遣自己的得力助手凯尔·瑞斯回到1984年拯救自己的母亲。
在凯尔从时间机器传送走的一瞬间，突然看见在一旁的约翰遭到终结者（T-5000型）偷袭，这个变化让他在传送过程中接收到了另一段平行时间线的同年记忆。在那个时间线“审判日”没有在1997年出现，但是2017年上线的“创世纪”和天网有着同样的功能。
当凯尔·瑞斯来到1984年，发现现实已经完全改变，莎拉在T-800的教导下知道了天网、“审判日”、终结者，也知道凯尔·瑞斯会来到这个时间救（爱）她。莎拉计划利用终结者的核心处理器为自己制造的时间机器提供运算能力，然后前往1997年阻止“审判日”的发生（在“老爹”的未来，“审判日”发生在97年）。
但是凯尔·瑞斯提出了不同的看法，他相信自己接收到的原本不应存在的童年记忆应该是一种警告，于是建议莎拉前往2017年，也就是赛博丹公司（Cyberdyne Systems）所开发的大众应用程序，“创世纪”（Genisys）上线的日期。
在那里两人意外地遇到了约翰·康纳，原来他已经被T-5000改造为纳米终结者T-3000，从未来回到2017年保护“创世纪”的顺利部署。在赛博丹公司总部的战斗中，“老爹”为了保护莎拉，将T-3000拉进时光机的原型机强行启动，准备和它同归于尽（T-3000的纳米细胞会受到电磁拳套的干扰而无法组成皮肉组织，若携带外露的金属物品搭乘时光机会产生爆炸）。
不过“老爹”在阻止T-3000挣脱时被意外推出时光机，掉入一旁制造T-1000终结者的“拟态多元合金”中，因核心处理器未遭损坏，让它得以存活并升级为T-1000。
“创世纪”母公司赛博丹被摧毁后，莎拉、凯尔和“老爹”一起造访了年幼的凯尔·瑞斯，凯尔告诉小时候的自己，“创世纪就是天网”，作为危机到来时的保险。同时片尾的彩蛋显示，“创世纪”系统的核心没有被爆炸完全摧毁，同时究竟是谁派出“老爹”回到1973年救下莎拉·康纳也依旧未知。
（全文完）