スミスの存在 ネオが機械の攻撃を撃退した後、彼は昏睡状態に陥り、マトリックスに囚われ続けていることが判明します。ネオはトレインマンの閉鎖空間に捕らわれており、プログラムの一家がシステムから逃れようとしています。モーフィアスとトリニティはオラクルの助けを借りてネオを探し、メロビンジアンのクラブに乗り込んでネオを救出します。オラクルはネオに戦争終結の可能性と、スミスの存在が問題になることを告げます。
ミフネの説得 ネオが現実世界に戻ると、スミスに支配されていたベインも目を覚まします。ハンマー号の船長はベインを尋問しますが、ベインは記憶がないと主張します。その後、ハンマー号は遭難していたナイオビのロゴス号を発見し、ナイオビたちを救助します。ザイオンでは防衛計画が進行中で、ネオに救われた少年兵キッドが志願し、防衛隊に加わります。
新たな能力が開花 ネオはマシンシティへ向かうと宣言し、ナイオビは彼を信じてロゴス号を提供します。ネオとトリニティはマシンシティに向かう途中、ベインに襲われネオは両目を失いますが、新たな能力を開花させます。一方、ハンマー号はナイオビの巧みな操艦でザイオンに向かいますが、機械の大群がザイオンに侵攻し始めます。
最終防衛線 ザイオンの防衛線は苦戦を強いられ、ミフネは倒れますが、キッドが彼の遺志を継ぎハンマー号を迎え入れます。ハンマー号はEMPを放射し、侵入してきた敵を撃退しますが、ザイオンは再度の侵攻に備えます。
戦争の終結 ネオとトリニティはマシンシティに突入し、トリニティは船の墜落により命を落とします。ネオは集合体と交渉し、平和を望みます。ネオとスミスの戦いがマトリックス内で繰り広げられ、最終的にネオはスミスを倒し、マトリックス中のスミス達も消滅します。
現実世界 機械達がザイオンから撤退し、平和が訪れます。キッドは戦争の終わりを告げ、ザイオンは歓喜に包まれます。マシンシティではネオの遺体が厳かに扱われ、新しい光が溢れる未来が示されます。マトリックスの街は修復され、オラクルとアーキテクトが和解し、人類と機械の新たな進化と調和が約束されます。セラフとサティーが新しい時代の象徴として登場し、オラクルは人間のように信じることを選びます。