โธมัส แอนเดอร์สัน (คีอานู รีฟส์) เป็นนักพัฒนาเกมวิดีโอที่ประสบความสำเร็จ ผู้สร้างซีรีส์เกม The Matrix ซึ่งมีต้นแบบมาจากความทรงจำเลือนรางของเขาในฐานะ นีโอ โดยมี จูด (แอนดรูว์ ลูอิส คอลด์เวลล์) เป็นโปรแกรมเมอร์เพื่อนร่วมงานในบริษัทเดียวกัน
แท้จริงแล้ว นีโอถูกเครื่องจักรซ่อมแซมร่างกายและนำกลับเข้าสู่เวอร์ชันใหม่ของเมทริกซ์ พร้อมกดทับความทรงจำทั้งหมดไว้เพื่อควบคุมเขา แม้เวลาจะผ่านไปถึงหกสิบปีนับตั้งแต่การเสียสละของนีโอ แต่ด้วยการดัดแปลงร่างกายโดยเครื่องจักร ทำให้เขาแก่ขึ้นเพียงยี่สิบปีเท่านั้น ในฐานะ “โธมัส” นีโอจึงสร้างโปรแกรมเสริมต่าง ๆ ให้กับเมทริกซ์โดยไม่รู้ตัว ผ่านอาชีพนักพัฒนาเกมของเขาเอง
ที่ร้านกาแฟใกล้บ้าน แอนเดอร์สมักบังเอิญพบกับ ทิฟฟานี (แคร์รี-แอน มอสส์) และสามีของเธอ แชด (แชด สตาเฮลสกี) หญิงสาวผู้เป็นแม่และแต่งงานแล้ว ซึ่งไม่มีความทรงจำใด ๆ เกี่ยวกับอดีตของตนเอง เธอคือแรงบันดาลใจที่แอนเดอร์สนำไปสร้างตัวละคร ทรินิตี้ ในเกมของเขา แอนเดอร์สมักมีปัญหาในการแยกแยะระหว่างความจริงกับความฝัน นักบำบัดจึงสั่งยาสีฟ้าให้เขาเพื่อกดทับอาการเหล่านั้น แต่ในที่สุดเขาก็หยุดกินยา
แอนเดอร์สันใช้งานระบบจำลองที่เรียกว่า โมดัล (Modal) ซึ่งเป็นแซนด์บ็อกซ์ทางโปรแกรมมิ่งสำหรับพัฒนาตัวละครในเกม หญิงสาวคนหนึ่งชื่อ บักส์ (เจสสิกา เฮนวิก) มือปืนผมสีฟ้าที่มีรอยสักกระต่ายขาว และเป็นกัปตันยานโฮเวอร์คราฟต์ชื่อ Mnemosyne ค้นพบว่าโมดัลกำลังรันโค้ดเก่าซ้ำไปมา โดยจำลองช่วงเวลาที่ทรินิตี้พบกับนีโอครั้งแรกในเมทริกซ์ เหล่าเอเจนต์กำลังติดตามโมดัลและสอดแนมบักส์
บักส์ พร้อมด้วย เบิร์ก (ไบรอัน เจ. สมิธ) สมาชิกทีมของ Mnemosyne ผู้ศึกษาเรื่องราวของนีโอ และ ซีควอยา (โทบี ออนวูเมียร์) โอเปอเรเตอร์ของยาน ค้นพบโปรแกรมหนึ่งซึ่งเป็นตัวตนของ มอร์เฟียส (ยาห์ยา อับดุล-มาเตน ที่ 2) โปรแกรมดังกล่าวช่วยบักส์หนีจากเอเจนต์ และพาเธอไปยังห้องปลอดภัยซึ่งเคยเป็นห้องเก่าของนีโอ โปรแกรมนั้นตระหนักว่าตนเองคือมอร์เฟียส และจุดประสงค์ของมันคือการตามหานีโอ
บักส์ช่วยปลดปล่อยโปรแกรมดังกล่าวก่อนที่ สมิธ (โจนาธาน กรอฟฟ์) หุ้นส่วนทางธุรกิจของแอนเดอร์สัน จะลบโมดัลทิ้ง แม้นีโอจะถูกเข้าใจว่าเสียชีวิตไปแล้ว แต่บักส์และมอร์เฟียสก็สามารถตามรอยเขามาถึงตัวแอนเดอร์สัน และดึงเขาออกจากเมทริกซ์ได้ (ในตอนแรก นีโอไม่อาจเชื่อได้เลยว่าตัวละครที่เขาเขียนโค้ดขึ้นมาจะมีชีวิตจริงและยืนอยู่ตรงหน้า) จากนั้นพวกเขาจึงรู้ว่าแท้จริงแล้วสมิธคือ เอเจนต์สมิธ
มอร์เฟียสบุกเข้าไปในสำนักงานของนีโอ แต่เพียงทำให้เขาหวาดกลัวและผลักดันให้เขากลับไปพบนักบำบัด ต่อมา บักส์เข้าหานีโอ แสดงรอยสักกระต่ายขาวของเธอ และได้รับความไว้วางใจจากเขา ในที่สุด นีโอตัดสินใจติดตามบักส์เพื่อค้นหาความ “จริง” บักส์พาเขาไปพบมอร์เฟียส และเกลี้ยกล่อมให้นีโอกิน ยาสีแดง ระหว่างนั้น ทีมถูกฝูงบอตโจมตี แต่สามารถต้านไว้ได้ด้วยลูกเรือของบักส์ และนีโอก็ถูกดึงออกจากเมทริกซ์สำเร็จ
นีโอตื่นขึ้นมาในแคปซูล และสังเกตเห็นว่าทรินิตี้ถูกกักขังอยู่ในแคปซูลอีกใบใกล้กัน เครื่องจักรที่บักส์ส่งมาได้นำตัวเขาออกมาและขนย้ายไปยังยาน Mnemosyne ของบักส์ ที่นั่น นีโอได้พบกับลูกเรือ รวมถึง เล็กซี (เอเรนดิรา อิบาร์รา) ผู้ซึ่งยกย่องทรินิตี้เป็นไอดอล
มอร์เฟียสเป็นเพียงโปรแกรม ดังนั้นเขาจึงไม่มีตัวตนอยู่ในโลกแห่งความจริง มนุษย์ได้ค้นพบวิธีสร้าง โฮโลแกรมดิจิทัล ของโปรแกรมในเมทริกซ์ และฉายพวกมันออกมาให้ปรากฏในโลกจริงได้
นีโอถูกพาตัวไปยังฐานที่มั่นของมนุษยชาติที่เรียกว่า ไอโอ (Io) ที่ซึ่งเขาได้กลับมาพบกับ ไนโอเบ (เจดา พิงเก็ตต์ สมิธ) อีกครั้ง เธอเป็นนายพลของฐานไอโอ และอดีตกัปตันยานโฮเวอร์คราฟต์ Logos ไนโอเบอธิบายว่า ในโลกแห่งความจริงได้ผ่านไปแล้วถึงหกสิบปีนับตั้งแต่ สงครามกับเครื่องจักร สิ้นสุดลง โดยในช่วงเวลานั้น เครื่องจักรเองก็เกิดความขัดแย้งภายใน เนื่องจากพลังงานขาดแคลน หลังจากมนุษย์จำนวนมากถูกปลดปล่อยออกจากเมทริกซ์ ผู้รอดชีวิตที่เป็นมนุษย์จึงจับมือเป็นพันธมิตรกับเครื่องจักรบางส่วนที่แยกตัวออกมาและเลือกอยู่ร่วมกับสังคมมนุษย์
แม้นีโอจะต้องการช่วยเหลือทรินิตี้ แต่ไนโอเบกลับคัดค้านอย่างหนัก เนื่องจากทรินิตี้ถูกกักไว้ในโซนความปลอดภัยระดับสูงของเมทริกซ์ การเข้าถึงจากโลกจริงจะต้องแลกมาด้วยต้นทุนมหาศาล และอาจทำลายสันติภาพอันเปราะบางระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักร ไนโอเบจึงสั่งกักขังนีโอไว้ โดยมอบหมายให้ เชพเพิร์ด (แม็กซ์ รีเมลต์) กัปตันที่เธอไว้วางใจมากที่สุดเป็นผู้ดำเนินการ
อย่างไรก็ตาม บักส์และลูกเรือของเธอเลือกที่จะฝ่าฝืนคำสั่งของไนโอเบ เพื่อช่วยนีโอปลดปล่อยทรินิตี้
เมื่อพวกเขาเข้าสู่เมทริกซ์ กลับถูกสกัดโดย สมิธ และโปรแกรมนอกระบบ (Exile Programs) อื่น ๆ เช่น เมอโรวินเจียน (แลมเบิร์ต วิลสัน) ผู้ประกาศตนว่าเป็นพ่อค้าข้อมูล ซึ่งเคยเผชิญหน้ากับนีโอก่อนสงครามเครื่องจักรจะยุติลง และบัดนี้เขาต้องการล้างแค้นนีโอ เพราะการทำลายเมทริกซ์เวอร์ชันก่อนหน้าได้พราก “จุดมุ่งหมายในการดำรงอยู่” ของเขาไป กลุ่มโปรแกรมเหล่านี้ต้องการฟื้นฟูเมทริกซ์ให้กลับไปสู่รูปแบบเดิม
ในการต่อสู้ที่ตามมา นีโอสามารถเอาชนะสมิธได้ ขณะที่พลังความสามารถของเขาค่อย ๆ กลับคืนมา จากนั้นพวกเขาออกจากพื้นที่และตามหาทิฟฟานี แต่ก่อนที่นีโอจะได้พูดกับเธอ นักบำบัดของเขาก็ปรากฏตัวขึ้น และหยุดเขาไว้ด้วยการบิดเบือนกาลเวลา ชายผู้นั้นเปิดเผยตัวตนที่แท้จริงว่าเขาคือ ดิ อะนาลิสต์ (นีล แพทริก แฮร์ริส) โปรแกรมที่ถูกออกแบบมาเพื่อศึกษาจิตใจมนุษย์ และเป็นผู้สร้างเมทริกซ์เวอร์ชันปัจจุบัน
ดิ อะนาลิสต์แฝงตัวมาในบทบาทนักบำบัดของโธมัส แอนเดอร์สัน ทำงานใกล้ชิดกับคนไข้ เพื่อทำความเข้าใจความหมายของความฝัน และแยกมันออกจากสิ่งที่เรียกว่า “ความเป็นจริง” ทั้งหมดนี้ก็เพื่อควบคุมไม่ให้นีโอหลุดออกจากเมทริกซ์
เขาอธิบายว่า หลังจากการตายของนีโอและทรินิตี้ เขาสามารถชุบชีวิตทั้งสองขึ้นมาใหม่เพื่อใช้เป็นกรณีศึกษา เขาค้นพบว่า การกดทับความทรงจำของพวกเขา ขณะเดียวกันก็จัดให้ทั้งสองอยู่ใกล้กันตลอดเวลา ทำให้เมทริกซ์มีประสิทธิภาพด้านพลังงานสูงขึ้น และมีเสถียรภาพมากกว่ารุ่นก่อนที่ล้มเหลวจากความผิดปกติซ้ำแล้วซ้ำเล่า ดิ อะนาลิสต์กล่าวว่า การทรมานความรู้สึกของมนุษย์ ทำให้พวกเขาผลิตพลังงานได้มากกว่าที่เคยเป็นมา
อย่างไรก็ตาม การที่นีโอถูกปลดปล่อยออกมา ได้ทำให้ระบบเสียสมดุล และกระตุ้นกลไกฉุกเฉินให้รีบูตเมทริกซ์ ดิ อะนาลิสต์จึงถ่วงเวลาไว้ ด้วยการโน้มน้าวผู้บังคับบัญชาของตนว่า การขู่ว่าจะฆ่าทรินิตี้ จะทำให้นีโอยอมกลับเข้าไปในแคปซูลของเขาโดยสมัครใจ
นีโอและบักส์ถูกบังคับให้ออกจากเมทริกซ์ เมื่อยานอีกลำที่ไนโอเบส่งมา พา Mnemosyne กลับสู่ไอโอ ไนโอเบพานีโอไปพบกับ ซาติ (ปรียังกา โชปรา โจนาส) โปรแกรมนอกระบบที่ถูกสร้างขึ้นโดยไม่มีจุดประสงค์ และเป็นผู้ที่นีโอเคยพบก่อนสงครามเครื่องจักรจะสิ้นสุดลง ซาติซึ่งต้องการล้างแค้นให้พ่อแม่ที่ถูกเครื่องจักรสังหาร จึงช่วยวางแผนเพื่อช่วยเหลือทรินิตี้
ซาติส่งมอร์เฟียสและโฮโลแกรมดิจิทัลของเขา แทรกซึมเข้าไปยัง สกายทาวเวอร์ สถานที่ที่แคปซูลของทรินิตี้ถูกกักขังและปกป้องด้วยเซนติเนลนับพัน มอร์เฟียสสามารถเข้าไปได้โดยไม่ถูกตรวจพบ และเปิดทางให้บักส์กับเครื่องจักรฝ่ายพันธมิตรบางส่วน พวกเขานำร่างของทรินิตี้ออกมาได้สำเร็จ แต่ต้องรอสัญญาณจากนีโอ เพื่อยืนยันว่าทรินิตี้ตัดสินใจออกจากเมทริกซ์ด้วยตัวเองแล้ว หากทรินิตี้ยังสับสนหรือไม่แน่ใจ เธอจะเสียชีวิตทันที
กลับมาในเมทริกซ์ นีโอทำข้อตกลงกับดิ อะนาลิสต์ว่า เขาจะยอมกลับเข้าไปในแคปซูล หากไม่สามารถทำให้ทรินิตี้ตระหนักถึงอดีตของตนเองและความจริงของเมทริกซ์ได้ ระหว่างที่นีโอพูดคุยกับทิฟฟานี ครอบครัวของเธอก็ปรากฏตัวขึ้น พยายามล่อลวงให้เธอเลือกอยู่ต่อ เธอเกือบจะยอมจำนน แต่ในที่สุดก็ปฏิเสธพวกเขา และระลึกถึงตัวตนที่แท้จริงของตนในฐานะ ทรินิตี้
เมื่อรู้ว่าตนพ่ายแพ้ ดิ อะนาลิสต์พยายามสังหารเธอ แต่สมิธเข้าขัดขวาง เพื่อเอาคืนจากการถูกกักขังของตนเอง เมื่อทรินิตี้ตกลงออกจากเมทริกซ์ ซาติจึงสั่งให้บักส์ใช้ทางเบี่ยงกับระบบควบคุมประสาทของทรินิตี้ และดึงร่างของเธอออกจากเครื่องจักรกลับขึ้นยานของบักส์ ขณะเดียวกัน จิตสำนึกของทรินิตี้ยังคงอยู่ในเมทริกซ์ ต่อสู้กับฝูงบอตเคียงข้างนีโอ
นีโอ ทรินิตี้ และพรรคพวกสามารถหลบหนีออกมาได้ ในฐานะผู้ที่ถูกดึงออกเป็นกลุ่มสุดท้าย นีโอและทรินิตี้ถูกต้อนจนมุมอยู่บนยอดตึกระฟ้า ทั้งสองจับมือกันและกระโดดลงไป โดยหวังว่านีโอจะเรียกพลังการบินของตนกลับมาได้ ทว่ากลับกลายเป็นทรินิตี้ที่ปลุกพลังนั้นขึ้นมา และพาทั้งคู่บินหนีไปอย่างปลอดภัย
ด้วยการควบคุมเมทริกซ์ที่ทรินิตี้เพิ่งค้นพบใหม่ ทั้งสองกลับไปเผชิญหน้ากับดิ อะนาลิสต์ ซึ่งบัดนี้อยู่ในท่าทีอ่อนน้อม นีโอและทรินิตี้กล่าวขอบคุณเขาอย่างแดกดัน สำหรับ “การเริ่มต้นใหม่” ที่พวกเขาตั้งใจจะใช้เพื่อสร้างเมทริกซ์ขึ้นมาใหม่ ตามแบบที่พวกเขาเลือกเอง
