El Dr. Issacs (Iain Glen) está intentando encontrar un antivirus a partir de la sangre de Alice (Milla Jovovich), pero desde que ésta se escapó de las instalaciones, ha estado utilizando clones de ella para encontrar una pareja perfecta. Todos los clones mueren, pero Issacs utiliza la sangre de los clones para probar el antivirus en zombis. Cuando se inyecta, los zombis se domestican (como Bud, del Día de los Muertos), pero poco después los convierte en superzombis y se lanzan a la aventura.

Durante esto, Alice vaga sola por el desierto porque no puede controlar sus poderes del final de la última película. Tiene sueños violentos en los que hace levitar objetos a su alrededor, y en uno de ellos choca con su moto. Encuentra un diario en una gasolinera que dice que Alaska está libre de infecciones, mientras que el mundo entero es estéril.

Alice alcanza el convoy de Claire Redfield (Ali Larter) con humanos no infectados, entre ellos Carlos (Oded Fehr) y L.J. (Mike Epps). Durante un ataque de cuervos infectados, que mata a la enfermera Betty (Ashanti), Alice aparece y utiliza su poder psiónico para matar a los cuervos con un cielo de fuego. Ella informa al convoy del diario que deciden utilizar e ir a Alaska. Debido a los suministros que necesitan, deciden tener que ir a Las Vegas. Durante esto, Umbrella Corp. rastrea la ubicación de Alice e Issacs va tras ella.

Cuando el convoy llega a Las Vegas, es un desierto. Mientras buscan gasolina, Umbrella lanza un contenedor lleno de superzombis para matar a todos. Durante la larga pelea, L.J. se convierte en un zombi, por un mordisco anterior, y muerde a Carlos. Carlos lo mata. Muchos de los miembros del convoy mueren durante el ataque, mientras Umbrella trata de desactivar a Alice. Fallan, lo que le da a ella tiempo suficiente para matarlos a ellos y a los zombis. Issacs escapa en un helicóptero y los supervivientes le siguen. Carlos se sacrifica para abrir un camino a la entrada del helipuerto de Umbrella. Claire y los supervivientes consiguen llegar al helicóptero y se dirigen a Alaska.

Alice se queda y encuentra la entrada al subsuelo de Umbrella e investiga. Encuentra el programa del niño de la primera película que le dice que Issacs se ha convertido en un monstruo debido a la mordedura de un zombi y la mezcla con la sangre de Alice. Alice encuentra su programa clon, uno de los cuales muere en sus brazos. Issacs aparece y lucha contra Alice. La pelea lleva a la parrilla láser de la primera película donde un láser está a punto de matar a ambos. El láser mata a Issacs, pero se detiene antes de alcanzar a Alice. El clon que murió antes volvió a la vida lo encendió.

En las instalaciones de Umbrella en Tokio, los líderes están discutiendo el incidente en Las Vegas cuando una proyección de Alice aparece y dice que está en camino a Tokio con algunos amigos para terminar todo. Ella y su clon miran hacia una sala donde se ven toneladas de clones de Alice que cobran vida.