Seis meses después de los acontecimientos de Matrix, Neo y Trinity mantienen una relación sentimental. Morfeo recibe un mensaje del capitán Niobe del Logos en el que se convoca una reunión de emergencia de todas las naves de Sion. Sion ha confirmado la última transmisión del Osiris: un ejército de centinelas está haciendo un túnel hacia Sion y lo alcanzará en 72 horas. El comandante Lock ordena a todas las naves que regresen a Sión para prepararse para la embestida, pero Morfeo pide a una nave que se quede para contactar con el Oráculo. Mientras la Caduceus recibe un mensaje del Oráculo, uno de los tripulantes de la Caduceus, Bane, se encuentra con Smith, quien le revela que su anterior encuentro con Neo cortó su conexión con Matrix y le ha convertido en un programa rebelde. Smith se apodera entonces del cuerpo de Bane y utiliza la línea telefónica para salir de Matrix al mundo real.

En Sion, Morfeo anuncia al pueblo la noticia del avance de las máquinas. Sale de Zion y entra en Matrix, donde Neo se encuentra con el guardaespaldas del Oráculo, Serafín, que le lleva hasta ella. Tras darse cuenta de que el Oráculo forma parte de Matrix, Neo le pregunta cómo puede confiar en ella; ella le responde que eso es decisión suya. El Oráculo le indica a Neo que llegue a la Fuente de Matrix con la ayuda del Creador de Llaves. Cuando el Oráculo se marcha, aparece Smith, que le dice a Neo que, tras ser derrotado, se negó a ser eliminado y que ahora es un programa deshonesto. Demuestra su capacidad para clonarse a sí mismo utilizando como huéspedes a otros habitantes de Matrix, incluidos otros Agentes. A continuación, intenta absorber a Neo, pero no lo consigue, lo que provoca una batalla entre los clones de Smith y Neo. Neo consigue defenderse, pero se ve obligado a retirarse ante el número cada vez más abrumador.

Neo, Morfeo y Trinity visitan al Merovingio, que está encarcelando al Creador de Llaves. El Merovingio, un programa maligno con sus propios planes, se niega a dejarle marchar. Su esposa Perséfone, que busca vengarse de su marido por su infidelidad, conduce al trío hasta el Creador de Llaves. Morfeo, Trinity y el Creador de Llaves huyen mientras Neo retiene a los secuaces del Merovingio. Morpheus y Trinity intentan escapar con el Creador de Llaves, perseguidos por varios Agentes y los principales secuaces del Merovingio, los Gemelos. Tras una larga persecución, Trinity escapa, Morpheus derrota a los Gemelos y Neo salva a Morpheus y al Creador de Llaves del agente Johnson.

Las tripulaciones del Nebuchadnezzar, Vigilant y Logos ayudan al Creador de Llaves y a Neo a llegar a la Fuente. La tripulación del Logos debe destruir una central eléctrica y la tripulación del Vigilante debe desactivar una central eléctrica de reserva, para evitar que se active un sistema de seguridad que permita a Neo abrir la puerta de la Fuente. Perseguido por una visión de la muerte de Trinity, Neo le pide que permanezca en la Nebuchadnezzar.

El Logos lo consigue, mientras que el Vigilant es destruido por un Centinela, pereciendo todos los que iban a bordo. Trinity sustituye a la tripulación del Vigilant y completa su misión. Sin embargo, el agente Thompson la acorrala y luchan. Mientras Neo, Morfeo y el Creador de Llaves intentan llegar a la Fuente, los Smith les tienden una emboscada. El Creador de Llaves abre la puerta de la Fuente, pero los Smiths le matan de un disparo cuando cierra la puerta.

Neo se encuentra con un programa llamado el Arquitecto, el creador de Matrix, que le explica que, como el Uno, Neo es parte intencionada del diseño de Matrix, que se encuentra ahora en su sexta iteración. Neo está destinado a detener la caída fatal del sistema de Matrix, que se repite de forma natural debido al concepto de elección humana dentro de ella. Al igual que con los cinco anteriores, Neo tiene que elegir: volver a la Fuente para reiniciar Matrix y elegir a los supervivientes para repoblar Zion, que pronto será destruida, como hicieron todos sus predecesores, o negarse, provocando el colapso de Matrix y la muerte de todos los que están conectados a ella, lo que, combinado con la destrucción pendiente de Zion, significaría la extinción de la humanidad. Neo se entera de la situación de Trinity y opta por salvarla en lugar de volver a la Fuente, a lo que el Arquitecto responde con desprecio.

Trinity recibe un disparo mientras ella y el agente Thompson caen de un edificio. Antes de que caiga al suelo, Neo baja volando y la atrapa. Le extrae la bala del pecho. Cuando empieza a perder el conocimiento, Neo llega a su corazón y la reanima. Regresan al mundo real, donde los Centinelas les atacan. El Nebuchadnezzar es destruido, pero la tripulación escapa. Neo muestra una nueva habilidad para desactivar las máquinas del mundo real con sus pensamientos, pero cae en coma por el esfuerzo. La tripulación es recogida por otra nave, el Hammer. Su capitán, Roland, revela que otras naves en defensa de Sion fueron aniquiladas por las máquinas después de que alguien activara prematuramente un PEM, y que sólo se encontró un superviviente: el Bane, poseído por Smith.