Tiếp tục diễn biến từ phần 2, ý thức của Neo lúc này đang bị mắc kẹt tại Mobil Ave -khu vực vận tải thông tin của Matrix- ở đây anh gặp một gia đình ba người, người bố của gia đình từng gặp anh ở chỗ Merovingian và đứa con gái Sati, cả ba người đều đều là chương trình máy tính. Mobile Ave được Trainman, thân cận của Merovingian điều hành và có đủ mọi quyền thao túng nơi này. Với sự trợ giúp của Seraph, Trinity và Morpheus đã đến chỗ Merovingian và cứu được Neo.

Tại thế giới thực, các thành viên của Hammer và Nebuchadnezzar cùng với Niobe của tàu Logos lên kế hoạch quay về Zion, hỗ trợ cho cuộc càn quét sắp tới của Sentinels. Trên đường về họ tách làm hai nhóm, Neo và Trinity đến Thành phố máy móc để tìm phương án đình chiến, những người khác tiếp tục quay về Zion. Smith lúc này trong Ma Trận đang tiếp tục ghi đẻ bản thân lên các chương trình khác để nhân bản và xâm chiếm Ma Trận, còn bản sao khác của hắn chiếm hữu cơ thể của Bane và đột nhập lên tàu của Neo. Hắn và Neo giao chiến, Neo bị đánh mù còn hắn bị Neo giết. Sau cùng Trinity hy sinh trong lúc cùng Neo tiến vào Thành phố máy móc; còn Neo đàm phán được với máy chủ (Deus Ex Machina), Sentinels rút lui còn Neo giúp loại bỏ Smith khỏi Ma Trận.

Neo hy sinh, xác của anh được máy móc đem đi, mối quan hệ giữa máy móc và con người về trạng thái hòa bình, nhưng sẽ không được bao lâu.