Sau hơn mười năm kể từ khi Sarah Connor (Linda Hamilton) tiêu diệt Kẻ hủy diệt đầu tiên, kẻ được tạo ra để giết cô, thì xuất hiện hai người đàn ông lạ mặt tại Los Angeles, đều đến từ năm 2029. Người đầu tiên là Kẻ hủy diệt (Arnold Schwarzenegger) được nhận diện là kẻ mà Sarah đã đối đầu trong phần đầu, trong khi đó người thứ hai thì chưa biết danh tính. John Connor (Edward Furlong), con trai của Sarah, hiện đang sống với cha mẹ nuôi. Cậu bé lớn lên trong lời kể của mẹ rằng một ngày nào đó cậu sẽ trở thành lãnh đạo phe kháng chiến chống lại phe người máy do Skynet đứng đầu. Những hiểu biết về tương lai của Sarah đã khiến cô trở thành con người mạnh mẽ và dũng cảm hơn nhưng cũng đầy liều lĩnh hơn khi cô cố gắng cảnh báo con người về sự lớn mạnh của người máy cũng như sự xuất hiện một cuộc chiến tranh do chúng gây ra. Sau khi phá hủy một công ty máy vi tính, Sarah đã bị bắt và giam giữ tại bệnh viện Pescadero State, một bệnh viện chuyên dành cho tội phạm tâm thần.

Sau khi xuất hiện, Kẻ hủy diệt và nhân vật vô danh cuối cùng cũng đã xác định được vị trí của John Connor. Cả hai đối đầu nhau khi cùng truy đuổi John. Cỗ máy giết người trong phần đầu giờ trở thành người bảo vệ John, trong khi đó nhân vật vô danh lại là một người máy được tạo ra để giết John. Sau khi được Kẻ hủy diệt giải cứu, cậu hiểu chuyện gì đang diễn ra. Kẻ hủy diệt, mẫu người máy T-800, model 101, được lập trình lại bởi chính John trong tương lai cho nhiệm vụ bảo vệ cậu. Còn người máy hủy diệt còn lại là mẫu người máy T-1000, một người máy tiên tiến vượt trội. Hắn được cấu tạo từ hợp kim đa hình, một dạng kim loại lỏng, cho phép hắn có thể mô phỏng bất cứ ai hay bất cứ vật gì cùng kích cỡ.

Khi John biết T-1000 sẽ mô phỏng hình dạng Sarah và giết cô, cậu bé đã quyết định cùng với Kẻ hủy diệt giải cứu Sarah. Lúc đầu Sarah rất hoảng sợ khi nhìn thấy Kẻ hủy diệt. Nhưng sau khi thấy Kẻ hủy diệt chống lại T-1000, cô mới chấp nhận sự giúp đỡ của Kẻ hủy diệt. Trước sự xuất hiện của T-1000, Sarah, John và Kẻ hủy diệt cùng rời khỏi thành phố. Kẻ hủy diệt kể cho Sarah về tương lai của Skynet, một máy tính siêu thông minh có khả năng tự suy nghĩ; về người tạo ra nó, Miles Bennett Dyson (Joe Morton); về sự kiện "Ngày phán xét" ngày mà Skynet phóng hàng loạt các tên lửa hạt nhân hủy diệt hầu như toàn nhân loại.

Sau một chuyến đi dài, cả ba đến trại cư trú của Enrique Salceda trong sa mạc, nơi đang cất giữ một số lượng lớn vũ khí giấu trong hầm dưới mặt đất phòng cho trường hợp chiến tranh nổ ra. Sarah định mang John vượt qua biên giới Mexico nhưng khi dừng tại đây, John và Kẻ hủy diệt tạo dựng được một mối quan hệ thân thiết. Sarah bỗng chốc tin rằng việc giết Dyson có thể ngăn chặn Ngày phán xét. Sau đó Sarah bỏ đi nhằm thủ tiêu Dyson. John và Kẻ hủy diệt cũng sớm nhận ra cô định làm gì và quyết định đuổi theo. Tại nhà của Dyson, Sarah bắn Dyson bị thương nhưng cô không thể giết ông trước mặt gia đình của ông. Kẻ hủy diệt và John thông tin cho Dyson về những hậu quả từ công trình nghiên cứu của ông gây ra. Họ thuyết phục ông cùng phá hủy tất cả dữ kiện liên quan đến dự án Skynet, cũng như con chip CPU của Kẻ hủy diệt đầu tiên.

Khi Kẻ hủy diệt, John, Sarah cùng Miles Dyson vào trụ sở của tập đoàn Cyberdyne Systems. Họ lấy đi cánh tay và con chip của người máy hủy diệt đầu tiên cũng như chuẩn bị việc cho nổ toà nhà nhằm phá hủy toàn bộ nghiên cứu của Dyson. Lúc này, toàn bộ lực lượng cảnh sát đã được báo động và bao vây tòa nhà. Lực lượng SWAT bắn trọng thương Dyson khi trong tay ông đang giữ kíp nổ. Dyson tắt thở cũng là lúc tòa nhà Cyberdyne Systems bị phá hủy hoàn toàn. Lúc này, Kẻ hủy diệt, John và Sarah đã cùng chạy thoát trên xe đặc chủng của lực lượng SWAT. T-1000 có dữ liệu về những gì họ đang làm và dự định làm nên đã cướp trực thăng giám sát từ một tay phi công cảnh sát gần đó đuổi theo cả ba. Một màn rượt đuổi gây cấn diễn ra giữa Kẻ hủy diệt và T-1000. Sau đó, nhóm của Kẻ hủy diệt chuyển sang xe chở hàng, còn T-1000 thì sang xe bồn chở đầy nitrogen lỏng. Cuộc rượt đuổi kết thúc khi cả hai xe cùng đâm vào một nhà máy cán thép. T-1000 tiếp tục ráo riết truy sát John mặc cho sự ngăn cản quyết liệt đến từ Kẻ hủy diệt và Sarah. Khi T-1000 gần như có cơ hội giết được John khi đối mặt với cậu một mình thì Kẻ hủy diệt đã xuất hiện với khẩu súng phóng lựu, bắn nổ tung T-1000 khiến hắn mất thăng bằng và rớt xuống lò luyện thép. T-1000 bị nung chảy cho đến khi hoàn toàn bị hủy diệt.

Sau khi John ném các bộ phận của Kẻ hủy diệt đầu tiên xuống lò thép thì Sarah nói rằng cuộc chiến đã kết thúc. Nhưng Kẻ hủy diệt nhắc với họ rằng vẫn còn một con chip cần bị hủy. Đó chính là con chip của y. Kẻ hủy diệt nhờ Sarah hạ Kẻ hủy diệt xuống lò thép vì Kẻ hủy diệt không thể tự hủy diệt mình. John đầy nước mắt, van nài Kẻ hủy diệt đừng ra đi nhưng Kẻ hủy diệt nói mọi thứ cần phải kết thúc. Bộ phim kết thúc với lời độc thoại của Sarah về hy vọng từ một cỗ máy và hy vọng cho loài người trong tương lai.