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.

Em um futuro próximo, Thomas Anderson (Keanu Reeves), um jovem programador de computador que mora em um cubículo escuro, é atormentado por estranhos pesadelos nos quais encontra-se conectado por cabos e contra sua vontade, em um imenso sistema de computadores do futuro. Em todas essas ocasiões, acorda gritando no exato momento em que os eletrodos estão para penetrar em seu cérebro. À medida que o sonho se repete, Anderson começa a ter dúvidas sobre a realidade. Por meio do encontro com os misteriosos Morpheus (Laurence Fishburne) e Trinity (Carrie-Anne Moss), Thomas descobre que é, assim como outras pessoas, vítima do Matrix, um sistema inteligente e artificial que manipula a mente das pessoas, criando a ilusão de um mundo real enquanto usa os cérebros e corpos dos indivíduos para produzir energia. Morpheus, entretanto, está convencido de que Thomas é Neo, o aguardado messias capaz de enfrentar o Matrix e conduzir as pessoas de volta à realidade e à liberdade.