尼奥(基努·里维斯饰)在第二集中未能摧毁“母体”,他的身体在真实世界的飞船上陷入昏迷,思想却被困在介于“母体”和真实世界的中间地带,这个地方由“火车人”控制。墨菲斯(劳伦斯·菲什伯恩饰)和崔妮蒂(凯瑞-安·莫斯饰)等人在守护天使的带领下,找到了“火车人”的控制者梅罗纹奇,经过一番激斗,成功将尼奥救出。此时,电子乌贼部队对锡安发起了猛烈的攻击,人类组织所有机甲战士展开顽强的抵抗,形势危在旦夕。尼奥和崔妮蒂驾驶一艘飞船克服重重困难,到达机器城市,尼奥见到了机器世界的统治者“机器大帝”。双方谈判并达成了协议:尼奥除掉不受“母体”控制的史密斯,以换取锡安的和平。在“母体”中,尼奥和史密斯展开了关系人类生死存亡的最后决斗。