En 2029, après leur échec pour éliminer Sarah Connor, les robots de Skynet programment un nouveau Terminator, le T-1000, pour retourner dans le passé et éliminer son fils John Connor, futur leader de la résistance humaine. Ce dernier programme un autre cyborg, le T-800, et l'envoie également en 1995, pour le protéger. Une seule question déterminera le sort de l'humanité : laquelle des deux machines trouvera John la première ?
2048. Doug Quaid rêve chaque nuit qu'il est sur la planete Mars à la recherche de la belle Melina. Sa femme, Lori, s'efforce de dissiper ce fantasme. Doug va bientot s'apercevoir que son rêve était artificiel et que sa femme est une espionne chargée de veiller à son reconditionnement mental. Il se souvient d'un séjour réel sur Mars, à l'epoque où il était l'agent le plus redouté du cruel Coohagen. Il decide de s'envoler sur Mars à la recherche de son enigmatique passé.