Lấy mốc thời gian sáu tháng sau sự kiện của Ma Trận, Morpheus nhận được lời nhắn từ Tàu trưởng Niobe của tàu Logos, thông báo về một đợt tấn công của đội quân máy Sentinels tới Zion trong vòng 72 giờ tới. Một cuộc họp được các tàu trưởng tổ chức bí mật trong Ma Trận, nhưng cuộc họp bị gián đoạn bởi đám đặc vụ tuần tra. Sau Neo khi đánh bại đám mật vụ để giúp đồng đội bỏ trốn, Morpheus sắp xếp một tàu ở lại do thám Ma Trận và thành viên con tàu này sau đấy bi Smith tấn công.

Sau khi rút về Zion nghỉ ngơi, Morpheus và thành viên tàu Nebuchadnezzar tiếp tục xâm nhập vào Ma Trận, đến địa chỉ mới của Oracle, Neo gặp vệ sĩ của bà là Seraph, được anh ta dẫn theo các "cửa hậu" (backdoor) đến chỗ Oracle. Sau khi chỉ điểm cho Neo về Mã nguồn (Source) và Thợ làm khóa (The Keymaker), Oracle cùng Seraph bỏ đi, Neo ở lại và chạm trán đặc vụ Smith. Khi chứng kiến Smith lúc này không liên kết với Ma Trận, và có thể chép đè bản thân lên các chương trình khác để tự nhân bản, Neo không cầm cự được nên phải bỏ đi.

Theo chỉ dẫn, Morpheus, Trinity, Neo đến tìm Merovingian để gặp Thợ làm khóa, nhưng không được tên này đáp ứng. Vợ của Merovingian là Persephone bí mật giúp ba người và bị Merovingian phát hiện, sau đấy Morpheus và Trinity cùng Thợ làm khóa bị người của Merovingian và đám đặc vụ truy đuổi. Sau khi Neo cứu được Morpheus và Thợ làm khóa, thành viên các tàu Nebuchadnezzar, Vigilant, và Logos lên kế hoạch giúp Neo xâm nhập vào Mã nguồn để tìm Kiến trúc sư.

Nhờ sự hy sinh của Thợ làm khóa mà Neo đã vào được Mã Nguồn, nhưng Kiến trúc sư bắt anh phải lựa chọn hoặc tạm dừng cuộc chiến để tái nạp lại Ma Trận và tiêu diệt gần hết Zion, hoặc tiếp tục cuộc chiến trong vô vọng. Neo đã chọn tiếp tục, đồng thời thoát khỏi Mã nguồn và cứu Trinity lúc này đang gặp nguy hiểm. Sau đó Neo và đồng đội thoát khỏi Ma Trận, ở thế giới thực, Nebuchadnezzar bị tấn công, các thành viên bị Sentinels truy đuổi; khi vào tình thế hiểm nghèo, Neo đã bộc phát siêu năng lực làm vô hiệu đám máy móc và bất tỉnh. Họ được tàu Hammer cứu, Neo được đưa đi chữa trị với tình trạng như người đang có kết nối với Ma Trận, tàu Hammer cũng cứu được một thành viên của tàu khác có tên lad Bane, thực chất thần kinh của tên này đang bị bản sao của Smith chiếm đoạt.