Thomas Anderson là người sáng tạo ra loạt trò chơi điện tử có tên The Matrix, dựa trên những ký ức mờ nhạt của anh khi còn là Neo. Tại một quán cà phê, anh tiếp tục qua lại với Tiffany, một người mẹ đã kết hôn mà không có hồi ức về quá khứ của mình, mà Anderson dựa trên nhân vật Trinity trong trò chơi. Anh đấu tranh để tách thực tế nhận thức ra khỏi giấc mơ. Bác sĩ trị liệu kê cho anh những viên thuốc màu xanh để ngăn chặn những sự cố và anh ngừng dùng.

Anderson tạo ra một mô phỏng để phát triển các nhân vật trong trò chơi. Một phụ nữ trẻ tên Bugs biết rằng mô phỏng đang chạy mã cũ trong một vòng lặp, mô phỏng lại khoảnh khắc Trinity lần đầu tiên tìm thấy Neo trong Ma trận. Bugs phát hiện ra một chương trình hiện thân của Morpheus và giải thoát cho anh ta. Mặc dù Neo được cho là đã chết, Bugs và Morpheus lần theo anh tới Anderson và đưa anh ra khỏi Ma trận, biết được đối tác kinh doanh của anh là Smith thực sự là Đặc vụ Smith, người cũng bị dập tắt ký ức.

Neo tỉnh dậy trong một cái kén và thấy Trinity đang bị giam trong một cái kén khác gần đó khi những cỗ máy do Bugs cử đến đưa anh đến con tàu của Bugs, Mnemosyne. Neo được đưa đến thành phố mới của quân kháng chiến, được gọi là Io, nơi anh gặp lại Niobe già nua. Bà giải thích rằng sáu mươi năm đã trôi qua trong thế giới thực kể từ khi Cuộc chiến Máy móc kết thúc, và ngoại trừ bà, tất cả thành viên kháng chiến khác mà Neo từng biết đều đã chết theo thời gian, bao gồm Morpheus bản gốc. Hòa bình đạt được nhờ sự hi sinh của Neo kéo dài nhiều năm, nhưng quá nhiều người được phép rời khỏi Ma trận tạo ra sự thiếu hụt năng lượng nghiêm trọng, khiến các máy móc phải tranh giành nguồn tài nguyên. Zion đã bị phá hủy trong chiến tranh, mặc dù người dân ở đó đã di tản. Một số máy móc tham gia cùng với con người và cùng nhau xây dựng thành phố Io.

Neo muốn giải cứu Trinity nhưng Niobe phản đối điều này. Bugs và các đồng đội của cô không tuân lệnh Niobe, và cố gắng hỗ trợ Neo giải thoát cho Trinity. Sau khi vào Ma trận, họ bị chặn lại bởi Smith và các chương trình lưu vong khác, bao gồm cả Merovingian. Những người lưu vong hiện trở thành người vô gia cư do những thay đổi gần đây trong Ma trận. Họ tấn công Neo, hi vọng cái chết của anh sẽ giúp hoàn tác các thay đổi và lấy lại mạng sống của họ, nhưng Neo đã đánh bại họ khi khả năng của anh dần trở lại.

Nhóm của Neo rời đi và tìm thấy Trinity, nhưng trước khi Neo có thể nói chuyện với cô, bác sĩ trị liệu của anh xuất hiện và làm anh bất động bằng cách thao túng thời gian. Gã tiết lộ danh tính của mình là Nhà phân tích, một chương trình được thiết kế để nghiên cứu tâm lý con người. Gã giải thích rằng sau cái chết của Neo và Trinity, gã được giao nhiệm vụ nghiên cứu cơ thể của Neo và sức mạnh dị thường của anh với tư cách là Người được chọn - thuyết phục cấp trên của gã hồi sinh cả hai người. Gã nhận thấy rằng do mối liên hệ vốn có của Người được chọn với toàn bộ nhân loại trong Ma trận, việc thao túng Neo có thể khiến Ma trận sản sinh ra nhiều năng lượng hơn. Hơn nữa, gã phát hiện ra sự bất thường về mật mã trong Neo thực sự được chia sẻ trong mối tình của anh với Trinity (năm Người được chọn trước Neo không có mối liên hệ nào tương đương với mối tình lãng mạn của anh với cô). Bằng cách ngăn chặn ký ức của cả hai và giữ họ gần nhau nhưng luôn xa nhau như trêu ngươi, Ma trận tạo ra nhiều năng lượng hơn. Việc giải quyết cuộc khủng hoảng năng lượng đặt Nhà phân tích vào vị trí nắm quyền từ Kiến trúc sư, sau đó gã xây dựng lại Ma trận để điều khiển con người bằng cách thao túng cảm xúc - với lý do con người thường tin những gì họ muốn tin. Tuy nhiên, sự giải phóng Neo đã làm hệ thống mất ổn định và gây ra sự không an toàn để khởi động lại Ma trận. Nhà phân tích đã đình trệ quá trình khởi động lại bằng cách thuyết phục cấp trên của mình rằng việc đe dọa giết Trinity sẽ khiến Neo tự nguyện quay lại kén của anh.

Neo và Bugs quay lại Io và nói chuyện với Sati, một chương trình lưu vong mà Neo đã gặp trước đây. Tìm cách trả thù cho cái chết của bố mẹ cô dưới tay những cỗ máy, Sati giúp lập ra một kế hoạch giải thoát cho Trinity. Quay lại Ma trận, Neo thỏa thuận với Nhà phân tích; anh sẽ trở về kén của mình nếu không thuyết phục được Trinity rời khỏi Ma trận. Khi Neo nói chuyện với Tiffany, gia đình của cô xuất hiện. Ban đầu họ lôi kéo cô ở lại, nhưng ngay sau đó cô từ chối họ, nhớ lại danh tính thực sự của cô là Trinity. Nhận ra mình đã thua, Nhà phân tích cố gắng giết cô, nhưng Smith xuất hiện và tấn công Nhà phân tích, tìm cách trả thù cho sự giam cầm của chính mình. Neo, Trinity và những người khác tẩu thoát bằng xe, nhưng bị truy đuổi trên đường phố bởi một đám chương trình "bot" và máy bay trực thăng. Là những người cuối cùng được khai thác, Neo và Trinity bị dồn lên đỉnh một tòa nhà chọc trời. Nắm tay nhau, họ nhảy ra, hi vọng Neo sẽ có thể khai thác khả năng bay, nhưng thay vào đó, Trinity có được khả năng bay và đưa họ đến nơi an toàn.

Với quyền kiểm soát mới của Trinity đối với Ma trận, cả hai trở lại đối đầu với Nhà phân tích. Họ cảm ơn gã một cách mỉa mai vì đã cho họ cơ hội thứ hai bằng cách hồi sinh họ, thứ mà họ định sử dụng để làm lại Ma trận khi họ thấy phù hợp. Neo và Trinity sau đó cùng nhau bay lên bầu trời.