Retomando inmediatamente el punto en el que terminó Reloaded, Neo y Bane siguen inconscientes en la bahía médica de la nave Hammer. Dentro de Matrix, Neo está atrapado en una estación de metro llamada Mobil Ave, una zona de transición entre Matrix y el mundo de las máquinas. Conoce a una "familia" de programas, entre los que se encuentra una niña llamada Sati. El "padre" le dice a Neo que el metro está controlado por el Trainman, un programa leal al Merovingio. Cuando Neo intenta subir a un tren con la familia, el ferroviario se niega y lo domina.

Serafín se pone en contacto con Morfeo y Trinity en nombre del Oráculo, que les informa del confinamiento de Neo. Seraph, Morpheus y Trinity entran en el Club Hel, donde se enfrentan al Merovingio y le obligan a liberar a Neo. Preocupado por las visiones de la Ciudad de las Máquinas, Neo visita al Oráculo, que le revela que Smith pretende destruir tanto Matrix como el mundo real. Ella le dice que "todo lo que tiene un principio tiene un final". Después de que Neo se vaya, un gran grupo de Smiths asimila a Sati y a Seraph. El Oráculo no se resiste a la asimilación y Smith obtiene sus poderes de precognición.

En el mundo real, las tripulaciones de la Nebuchadnezzar y la Hammer encuentran y reactivan la nave de Niobe, la Logos. Interrogan a Bane, que dice no recordar la masacre anterior. Mientras los capitanes planean su defensa de Sion, Neo solicita una nave para viajar a la Ciudad de las Máquinas. Motivada por su encuentro con el Oráculo, Niobe le ofrece el Logos. Neo parte, acompañado por Trinity. Bane, que ha viajado de polizón en el Logos, toma a Trinity como rehén. Neo se da cuenta de que Bane ha sido asimilado por Smith y se produce una pelea. Bane quema los ojos de Neo con un cable de energía, cegándolo. Neo descubre que todavía puede "ver" el código fuente de las máquinas en el mundo real y utiliza esta habilidad para matar a Bane. Trinity los lleva a la Ciudad de las Máquinas.

Niobe y Morfeo se precipitan hacia Sion en el Martillo para ayudar a las defensas humanas. El astillero de Sion se ve abrumado por una horda de centinelas, y el capitán Mifune, herido de muerte, ordena a Kid que abra la puerta para el Martillo, lo que hace con la ayuda de Zee. Cuando llega, descarga su PEM, inutilizando a todos los centinelas presentes, pero también las defensas restantes de Sion. Los humanos se ven obligados a retirarse y esperar el siguiente ataque, pensando que será su última resistencia.

El Logos es atacado por una oleada de máquinas en las afueras de la Ciudad de las Máquinas. Para evitar la embestida, vuelan por encima de ellos a cielo abierto y luego se estrellan contra un edificio, hiriendo mortalmente a Trinity. Neo entra en la Ciudad de las Máquinas y se encuentra con el liderazgo de las máquinas en forma de "Deus Ex Machina". Neo advierte que Smith planea conquistar tanto Matrix como el mundo real y se ofrece a detener a Smith a cambio de la paz con Sion. El Deus Ex Machina acepta, y los Centinelas se apagan, deteniendo el ataque a Sion.

Las Máquinas introducen a Neo en Matrix, cuya población ha sido totalmente asimilada por Smith. El Smith con los poderes del Oráculo se adelanta y le dice a Neo que ha previsto su victoria contra Neo. Tras una prolongada lucha, Neo parece reconocer su derrota y se deja asimilar. Fuera de Matrix, las máquinas envían una oleada de energía al cuerpo de Neo, que dentro de Matrix hace que el clon de Neo-Smith, y luego todos los demás clones de Smith, sean destruidos, dejando al Oráculo tirado y provocando el sacrificio de la vida de Neo. Los centinelas se retiran de Zion, Morfeo y Niobe se abrazan y el cuerpo de Neo es llevado por las máquinas.

Matrix se reinicia y el Arquitecto se encuentra con el Oráculo en un parque. Acuerdan que la paz durará "todo lo que pueda" y que a los humanos que lo deseen se les ofrecerá la oportunidad de abandonar la Matriz. El Oráculo le dice a Sati (que ha creado un hermoso amanecer para Neo) que cree que volverán a ver a Neo. Serafín le pregunta al Oráculo si sabía que esto iba a suceder. Ella responde que no lo sabía, pero que lo creía.