Прошло десять лет с тех пор, как робот-терминатор из будущего пытался убить Сару Коннор. У Сары родился сын — Джон Коннор, который в будущем должен возглавить борьбу человечества против вышедших из-под контроля машин. Это будущее неумолимо приближается: группа учёных из корпорации «Кибердайн» (англ. Cyberdyne Systems) под руководством талантливого программиста Майлза Дайсона уже создаёт новый мощнейший процессор из уцелевших остатков электроники терминатора T-800, уничтоженного в первом фильме. Когда на основе этого процессора военными будет создан весьма совершенный искусственный интеллект «Скайнет», он скоро выйдет из-под контроля и, управляя всей военной мощью США, в 02:14 ночи 29 августа 1997 года нанесёт ракетно-ядерный удар по России, которая ответит контратакой, наступит «Судный день» и три миллиарда человек погибнут.
Действие второго фильма происходит в 1994 или 1995 году. Из будущего вновь прибывает терминатор T-800, но на этот раз он запрограммирован самим Джоном Коннором и должен защитить его от атаки терминатора более совершенной модели — T-1000, состоящего из жидкого металла, способного принимать любую внешность, практически неуязвимого, посланного из будущего машинами, чтобы убить Джона в детстве.
Поздним вечером, в пустыре, из ослепительной вспышки света появляется T-800, по виду — обнажённый человек. Для выполнения своей миссии ему нужна одежда, средство передвижения и оружие, которые он силой отбирает у байкеров в расположенном неподалёку баре.
В это же время в другом районе Лос-Анджелеса — в Санта Фе — прибывает другой робот — T-1000. Он убивает полицейского, привлечённого шумом под мостом. Прикоснувшись к телу человека, робот принимает облик полицейского, садится в его машину и набирает в полицейском компьютере запрос «Джон Коннор».
На следующее утро Джон выезжает из дома на мопеде со своим приятелем. Дома остаются его приёмные родители и собака. Джон, обладая хакерскими навыками, взламывает банкомат и собирается потратить полученные деньги в игровом зале торгового центра «Галерея».
В это же время на окраине Лос-Анджелеса, в психиатрической лечебнице «Пескадеро» очередной утренний обход делает доктор Зильберман, из простого полицейского психиатра доросший до главного врача клиники. В отдельной палате-камере этой лечебницы содержится Сара Коннор, попавшая туда после неудачной попытки взорвать компьютерную лабораторию компании «Кибердайн». Сара, напросившись на приём к доктору Зильберману, пытается убедить его разрешить ей свидания с сыном, врач отказывает и отодвигает срок на полгода. Нервы Сары не выдерживают, и только подоспевшие санитары удерживают её от расправы над доктором. Её связывают и уводят в палату.
Тем временем, получив в компьютере адрес Джона, T-1000 находит его дом и является туда. Взяв у приёмных родителей Джона его фотографию, он отправляется на поиски и, расспрашивая людей на улицах, обнаруживает Джона в «Галерее».
Как и все остальные люди, Джон принимает T-1000 за полицейского и убегает от него, по пути наткнувшись на T-800. Пользуясь схваткой двух роботов, подросток скрывается из здания на своём мопеде. За ним на похищенном грузовике устремляется T-1000, следом — T-800 на мотоцикле. Они едут по пустым каналам на задворках Лос-Анджелеса, и только когда T-800 пересаживает Джона к себе на мотоцикл, им удаётся оторваться от преследования T-1000.
Позже T-800 рассказывает Джону о себе, о T-1000 и о предназначении Джона. Джон осознаёт, что всё, о чём ему рассказывала мама, является правдой. Он звонит домой, чтобы предупредить своих приёмных родителей, но туда уже добрался T-1000. Джон вспоминает о своей настоящей матери и приказывает T-800 помочь освободить её.
В это время Сара решает сбежать. Она открывает скрепкой замок своей палаты-камеры, оглушает санитара, и, ворвавшись в ординаторскую, берёт в заложники самого Зильбермана. В этот момент в здании появляются T-1000, Джон и T-800. При встрече с T-800 Сара принимает его за робота из прошлого и в ужасе убегает от него. Джону с трудом удаётся убедить мать в дружественности T-800, после чего они садятся в машину и уезжают от T-1000. Сара получает лёгкое колото-резаное ранение.
На заброшенной бензозаправке они проводят ночь, успевают зашить рану Сары (что сделал лично T-800), убрать металлические пули из спины T-800 (в вырезанной сцене «режиссёрской» версии — также перевести его разум в режим самообучения) и сменить машину. Затем они отправляются в путь, в сторону Мексики, где живёт друг Сары — бывший «зелёный берет» Энрике Салкеда. В разговоре по пути Сара и Джон узнают от T-800, каким именно станет ядерный удар. Прибыв к Салкеде, они запасаются оружием и решают утром тронуться в путь дальше на юг. Однако во сне Саре снова является старый кошмар о будущей войне, и она, никому не говоря ни слова, уезжает, решив изменить судьбу и убить Дайсона. Джон и T-800 бросаются за ней.
Майлз Дайсон работает ночью за компьютером в своём доме, когда Сара открывает стрельбу из карабина М4 с глушителем и оптическим прицелом с лазерным целеуказателем. Однако ей не удаётся заставить себя убить Дайсона. В это время приезжают Джон и T-800 и открывают Дайсону глаза на то, к каким последствиям приведёт его работа над воссозданием нейропроцессора.
Дайсон соглашается уничтожить все сохранившееся артефакты — обломок руки терминатора и чип из его головы. Джон, Сара, Дайсон и T-800 проникают в здание «Кибердайн» и начинают минировать лабораторию. К зданию стягиваются полицейские силы.
T-1000 идёт по следам беглецов, он осматривает разорённое жилище Дайсона, в это время по рации диспетчер сообщает о событиях в здании «Кибердайн», и T-1000 отправляется туда же.
Следуя данному Джону обещанию не убивать людей, T-800 демонстрирует огневую мощь на машинах полиции, стянутых к зданию, не убив при этом ни одного человека; к штурму подключается команда спецназа, в перестрелке получает смертельное ранение Дайсон. В последние мгновения жизни, дав Саре, Джону и T-800 время скрыться, он нажимает на кнопку радиодетонатора, взрывая лаборатории «Кибердайн».
Обезвредив спецназ, T-800 похищает их фургон и вывозит Джона и Сару. Их преследует T-1000 на полицейском вертолёте. Используя четыре руки, он управляет вертолётом и одновременно стреляет из пистолета-пулемёта прямо в полёте; Сара получает огнестрельное ранение в ногу.
После стремительной погони вертолёт задевает фургон и взрывается. Джон, его мать и T-800 захватывают первый попавшийся пикап; за ними следует T-1000 на грузовике, транспортирующем жидкий азот. Гонка заканчивается на сталелитейном заводе, где T-1000 оказывается заморожен разлившимся из цистерны перевернувшегося грузовика азотом и разрушен, однако восстанавливается благодаря высокой температуре от расплавленного металла рядом. Там же разворачивается и финальная схватка. T-1000 использует все способы, чтобы добраться до Джона, он даже принимает вид его матери, чтобы хитростью подманить к себе. Но всё-таки общими усилиями T-1000 удаётся уничтожить, сначала расстреляв его, потом взорвав его выстрелом из М79, отчего робот теряет равновесие и падает в чан с расплавленным металлом, где растворяется, на сей раз безвозвратно. Следом за ним в чан сбрасывают обломок руки и чип, взятые в лаборатории Дайсона. После чего T-800 констатирует, что для устранения всех следов технологий будущего он сам тоже должен быть уничтожен. Он жертвует собой, опускаясь в расплавленный металл вслед за T-1000 с поднятым вверх большим пальцем руки под основную музыкальную тему фильма. Эта сцена является одной из самых драматичных в фильме и одной из самых известных в мировой кинофантастике.