2199년, 시스템이 인간을 지배하는 세상. 인간들은 태어나자마자 인공 자궁 안에 갇혀 기계들의 생명 연장을 위한 에너지로 사용되고 뇌세포에 매트릭스라는 프로그램을 입력 당해 평생 기계에 의해 설정된 가상 현실을 살아간다. 가상 현실의 꿈에서 깨어난 인간들은 ‘시온’이라는 세상을 건설하고 인류를 구원할 영웅 ‘그’를 찾아 나선다. 마침내 발견한 ‘그’는 ‘네오’라는 이름으로 컴퓨터 해킹을 하는 컴퓨터 프로그래머 토마스 앤더슨.
앤더슨은 트리니티라는 여인에게 이끌려 매트릭스 밖의 우주를 만나면서 모든 진실과 직면하게 된다. 숨겨진 진실을 알게 된 앤더슨은 이제 ‘네오’라는 이름으로 인류를 구원해야 하는 자신의 운명을 받아들이게 된다. ’시온’은 센티넬이라는 기계군단에 장악될 위기에 처하고, 자신의 능력에 대한 더 큰 통제력을 갖게 된 네오는 인류의 구원을 위해 트리니티, 모피어스와 함께 시스템에 맞서게 된다. 진실을 찾는 여정에 한걸음 더 접근하게 된 네오. 그러나 그 와중에 능력을 소진하고 매트릭스와 현실세계의 중간계를 떠돌게 된다. 한편, 기계들이 인간말살을 목적으로 인류 최후의 보루 ‘시온’으로 침공해오자 인간들은 인류의 미래를 지키기 위해 필사적인 전투를 벌인다.
그러나 베인의 몸 속에 침투한 에이전트 스미스가 본 모습을 드러내면서 네오에게는 예기치 못한 새로운 변수가 생긴다. 세력이 커져가면서 기계들의 통제권까지 벗어난 스미스는 현실 세계와 매트릭스는 물론 기계도시까지 말살할 야욕을 불태운다. 이에 네오에게 마지막 조언을 건네는 오라클. 네오는 오라클 역시 매트릭스라는 거대한 구조 속에 존재하는 하나의 프로그램에 불과할 수 있음을 알면서도 그녀의 조언을 받아들인다. 그리고 니오베의 도움으로 네오와 트리니티는 일찍이 그 어느 인간도 가본적이 없는 세계, 기계 도시의 심장부로 잠입한다. 그곳에서 기계 세상의 절대 권력자를 만나 파멸 직전의 인류를 구원키 위한 최후의 카드를 던지는데….