Прошло шесть месяцев после событий первого фильма. Повстанцы узнают страшную весть: машины копают землю, чтобы добраться до Зиона — единственного города людей. Командор Лок приказывает всем кораблям вернуться в город, чтобы приготовиться к защите. Однако Морфеус, капитан корабля «Навуходоносор», не выполняет приказ, веря, что Пифия скоро свяжется с Нео, чтобы рассказать оставшуюся часть пророчества. Но «Навуходоносору» требуется подзарядка, и Морфеус вынужден вернуться в Зион, оставив на связи с Пифией корабль. Капитан этого корабля получает сообщение от Пифии, но во время выхода из Матрицы на одного из членов команды (Бэйна) нападает Смит и превращает его в одного из своих клонов, который уходит в реальный мир через телефон; таким образом Смит в образе Бэйна попадает в реальный мир.

Нео видит кошмары о гибели Тринити, которую очень боится потерять. Морфеус лично предупреждает жителей Зиона о приближающейся опасности нападения машин. Нео получает сообщение от Пифии, и Морфеус немедленно покидает Зион без разрешения командора Лока.

Нео входит в Матрицу для встречи с Пифией. Он встречает Серафа, охранника Пифии, с которым ему приходится сражаться, чтобы доказать свою избранность. Нео наконец встречает Пифию. Она подтверждает, что она, как и многое в Матрице, — программа. Нео узнаёт, что ему нужно пробраться в Главный Компьютер. Для этого Нео должен отыскать Мастера Ключей, которого пленила одна опасная и очень старая программа — Меровинген. Пифия уходит, оставив Нео одного. Вдруг появляется Смит. Нео раньше думал, что уничтожил его, но Смит объясняет, что это не так, что Нео изменил его программу, дав ему возможность самокопирования, что теперь он является свободной программой в Матрице. Далее Смит предпринимает попытку превратить Нео в одного из своих клонов, но Нео удаётся предотвратить это. После начинается драка с огромным количеством клонов Смита. Поняв бессмысленность схватки, Нео улетает.

Нео, Морфеус и Тринити приходят к Меровингену, который отказывается отдать им Мастера Ключей. Однако его жена Персефона в наказание мужу за измену помогает им в обмен на поцелуй Нео. Они получают Мастера Ключей. Но неожиданно приходит Меровинген с несколькими охранниками. Морфеус, Тринити и Мастер Ключей убегают, а Нео остаётся, чтобы сразиться с людьми Меровингена. С помощью холодного оружия он легко с ними расправляется, но оказывается в замке за 500 миль от города.

В это время Тринити и Морфеус сражаются с Близнецами, которые обладают возможностью превращаться в призраков. Тринити крадёт машину, и они вместе с Мастером Ключей выезжают в город. Начинается большая погоня по шоссе, в ходе которой появляются Агенты. Морфеус убивает Близнецов, взорвав их в машине. Тринити в это время пытается уехать с автострады на мотоцикле. Морфеус забирает Мастера Ключей на крышу грузовика, где вынужден сражаться с Агентом. Агенты сталкивают этот грузовик с другим, пытаясь убить и Морфеуса, и Мастера Ключей. Но в последний момент их спасает Нео, поймав в воздухе.

Мастер Ключей рассказывает, что Источник находится в небоскрёбе на секретном этаже. Чтобы туда проникнуть, нужно отключить электричество в 27 кварталах города, после чего у Нео будет всего 314 секунд, чтобы добраться до нужной двери. В помощь Морфеусу прибывают ещё два капитана с командой, которые готовы помочь ему в осуществлении этого безумного плана. Нео просит Тринити остаться, боясь исполнения своих видений.

Во время проведения операции команда одного из кораблей погибает, не отключив электричество, что может привести к неминуемой гибели Нео. Тринити вопреки своему обещанию входит в Матрицу и отключает электричество в нужных кварталах. Нео добирается до нужной двери. Мастер Ключей смертельно ранен Смитом, пробравшимся в коридор программных ошибок, но он успевает отдать Нео ключ от Источника и указать Морфеусу дверь, через которую он сможет покинуть мир Матрицы.

Нео входит в Источник и встречает Архитектора, создателя Матрицы. Архитектор сообщает Нео, что пророчество — фикция, сделанная лишь для того, чтобы спасти вид людей от гибели. Машины уничтожали Зион уже пять раз. Задачей Избранного был отбор нескольких людей для продолжения рода и перезагрузки Матрицы. Нео узнаёт, что Тринити вступает в схватку с агентом, из которой она не выйдет живой. Архитектор предлагает Нео выбор: или он смиряется с гибелью Тринити и перезагружает Матрицу, спасая тем самым людской вид, или он спасает Тринити, но обрекает людей на уничтожение. Нео решает спасти Тринити.

На «Навуходоносоре» Нео рассказывает всё Морфеусу, который понимает, что всё, во что он верил, было ложью. В это время на корабль нападают Охотники. Команде приходится бежать с корабля, наблюдая его уничтожение. Неожиданно Нео начинает чувствовать охотников и уничтожает их силой мысли, но сам теряет сознание.

Морфеуса и его команду находит корабль «Хаммер», от капитана которого они узнают, что атака на армию машин, спланированная командором Локом, провалилась, и что команде корабля «Хаммер» удалось найти на поле битвы только одного выжившего. Им оказался тот самый Бэйн, в которого вселился Смит.