尼奧（基努·里維斯飾）在第二集中未能從內部摧毀"母體"，其意識被困于矩陣與真實世界的中間地帶——由"火車人"掌控的轉接區。墨菲斯（勞倫斯·菲什伯恩飾）與崔妮蒂（凱瑞-安·莫斯飾）在守護天使指引下，突破梅羅紋奇的阻撓成功營救尼奧。此時電子烏賊軍團對錫安發動總攻，人類機甲部隊展開殊死抵抗。尼奧與崔妮蒂穿越矩陣封鎖抵達機器城，同"機器大帝"達成協議：尼奧消滅脫離控制的史密斯程序以換取錫安存續。在矩陣核心源代碼區域，尼奧與史密斯展開終極對決并最終通過自我犧牲將后者徹底清除。隨著威脅解除，機器軍團終止進攻錫安的計劃，人類與矩陣進入新的共存紀元。