No Halloween de 1977, um programa de entrevistas prestes a ser cancelado realiza uma transmissão ao vivo, mas uma presença demoníaca se apossa do estúdio.

Após enfrentar os sentinelas no mundo real, Neo (Keanu Reeves) tem sua mente presa em um local que fica entre a Matrix e a realidade, do qual apenas poderá sair com a ajuda de Trainman (Bruce Spence). Após perceberem que as ondas cerebrais de Neo são idênticas as de uma pessoa conectada à Matrix, Trinity (Carrie-Anne Moss) e Morpheus (Laurence Fishburne) buscam a ajuda da Oráculo (Mary Alice) e Seraph (Sing Ngai). Trinity, Morpheus e Seraph vão em busca de Merovingian (Lambert Wilson), que possui controle sobre Trainman e pode libertar Neo. Após obterem sucesso no resgate, o trio se divide em duas missões: Enquanto Morpheus e a tripulação de duas naves parte rumo a Zion, na tentativa de ajudar no combate contra as máquinas, Neo e Trinity se dirigem à Cidadela das Máquinas.

Após derrotar as máquinas em seu combate inicial, Neo ainda vive na Nabucodonosor ao lado de Morpheus, Trinity e Link, o novo tripulante da nave. As máquinas estão realizando uma grande ofensiva contra Zion, onde 250 mil delas escavam rumo à cidade e podem alcançá-la em poucos dias. A Nabucodonosor é convocada para retornar a Zion e participar da reunião que definirá o contra-ataque para salvar a humanidade da extinção. Entretanto, um recado enviado pelo Oráculo faz com que Neo retorne à Matrix.