2018年，美国总统为了自己的竞选能够胜出，再次启动了登月计划。当世界上第一位黑人宇航员詹姆斯·华盛顿（克里斯托弗·卡比 Christopher Kirby 饰）与同伴踏上月球时，却遭遇到了子弹的袭击。原来，早在1945年纳粹即将战败之时，纳粹的科学家在反重力的研究上取得了巨大的突破，并在南极的秘密基地上，将一支纳粹的研究部队送上了月球，并在月球背面建立起了一个军事基地。在那里，纳粹的科学家不分昼夜地研究新技术、改善武器，妄图在月球上重新建立起部队，反攻地球。华盛顿被俘后，其随身携带的智能手机被纳粹的科学家认为是启动他们的终极飞船的关键部件，因此掌权的军官阿德勒（戈兹·奥托 Götz Otto 饰）和情人雷纳特•里切特（茱莉亚·迭泽 Julia Dietze 饰）要求前往地球收集更多的手机，以便于反攻地球所用。当阿德勒带着华盛顿返回地球之后，一切的发展却与他们计划的有所不同，一个阴谋计划随之展开……

格雷（罗根·马歇尔-格林 Logan Marshall-Green 饰）和女友艾莎（梅拉里·沃列何 Melanie Vallejo 饰）相恋多年，两人之间感情非常要好。一天，格雷带着艾莎去拜访一位名叫艾伦（哈里森·吉尔伯特森 Harrison Gilbertson 饰）的科学家，艾伦设计了人工智能芯片STEM，令艾莎叹为观止。                                                                      　　在回去的路上，格雷和艾莎所乘坐的无人驾驶汽车发生了故障，将两人带往了一处暴徒聚集的贫民窟，在那里，两人遭到了袭击，艾莎不幸丧生，而格雷身受重伤下半身瘫痪。心中充满了痛苦和绝望的格雷想为恋人报仇，于是找到了艾伦，将STEM芯片植入了大脑，在STEM的操纵下，格雷重新站了起来。让格雷没有想到的是，STEM的智慧远远超乎他的想象，而他亦被卷入了一个巨大的阴谋之中。

　　时空劳工局特工（伊桑·霍克EthanHawke饰）曾经奉命回到20世纪70年代，以阻止当年给城市造成巨大伤害的恐怖分子“闪灭炸弹客”的破坏活动。谁知他的任务失败，在经过漫长的康复后，他再度踏上征程，发誓要将闪灭炸弹客绳之于法。此番他以酒保身份混迹市井，某天偶然结识了笔名“未婚妈妈”的作家（莎拉·斯努克SarahSnook饰）。作家向他讲述了其匪夷所思的人生。当年作家曾是名叫简的孤儿，性格古怪的她在应聘太空公司失败后，短暂坠入爱河，并生下一名女婴，结果她的人生也发生了翻天覆地的变化。
　　特工打算带着“未婚妈妈”去杀掉那个负心汉，然而真相却并没有那么简单……

　　上一部结尾，尼奥（基奴李维斯饰）终于意识到自己的能力和使命，中弹复活后，变成了无所不能的“救世主”，他和女友崔妮蒂（凯莉·安·摩丝饰），舰长墨菲斯（劳伦斯·菲什伯恩饰）回到了人类的基地锡安，受到人们的热烈欢迎。
　　此时，“母体”决定先下手为强，派出了两万五千只电子乌贼攻击锡安基地；墨菲斯、尼奥和崔妮蒂则再次进入“母体”，寻找“制钥者”，准备从内部破坏；而本该被尼奥消灭的特勤史密斯似乎出了点问题，脱离了“母体”的控制，拥有可怕的复制能力，阻碍尼奥他们的行动。

　　第二集中，尼奥（基努·里维斯KeanuReeves饰）没有能从内部摧毁“母体”，他的身体在真实世界的飞船上陷于昏迷，思想却被困在介于“母体”和真实世界的中间地带，这个地方由“火车人”控制。墨菲斯（劳伦斯·菲什伯恩LaurenceFishburne饰）和崔妮蒂（凯瑞-安·莫斯Carrie-AnneMoss饰）等人知道了尼奥的情况，在守护天使的带领下，找到了“火车人”的控制者梅罗纹奇，经过一番激斗，将尼奥救了出来。
　　此时，电子乌贼部队对锡安发起了猛烈的攻击，人类组织所有机甲战士展开顽强的抵抗，形势危在旦夕；尼奥和崔妮蒂驾驶了一艘飞船克服重重困难，到达机器城市，尼奥终于见到了机器世界的统治者“机器大帝”，双方谈判并达成了协议：尼奥除掉不受“母体”控制的史密斯，以换取锡安的和平。
　　在“母体”中，尼奥和史密斯展开了关系人类生死存亡的最后决斗。