Abertura: Neo Preso Entre Dois Mundos
O filme começa imediatamente após os eventos de Matrix Reloaded. Neo (Keanu Reeves) está inconsciente, mas sua mente não está na Matrix nem no mundo real. Ele se encontra em uma espécie de estação intermediária chamada Estação Mobil, um local de trânsito entre a Matrix e a realidade, controlado pelo Trenista (Trainman). Ali, Neo encontra o programa Rama-Kandra, sua esposa Kamala e a filha do casal, Sati. Eles explicam que o Trenista trabalha para MerovÃngio, e que estão tentando negociar a sobrevivência da filha, mesmo sem propósito definido no sistema.
Enquanto isso, Morpheus (Laurence Fishburne), Trinity (Carrie-Anne Moss) e Seraph procuram por Neo e descobrem que ele está preso nessa estação, sem conseguir retornar sozinho.
O Encontro com MerovÃngio
Trinity, Morpheus e Seraph vão até a boate Club Hel, reduto do MerovÃngio. Eles exigem que Neo seja libertado, mas MerovÃngio, manipulador como sempre, pede algo em troca: deseja garantias e exige um favor que poderia comprometer o grupo. Trinity, determinada e impaciente, ameaça matá-lo e todos os seus capangas se não devolver Neo. Forçado pela situação, MerovÃngio cede, e Neo finalmente é libertado da Estação Mobil.
O Conselho de Zion
Enquanto Neo retorna, em Zion a guerra contra as máquinas se aproxima do auge. Os conselheiros e lÃderes militares preparam a cidade para o ataque iminente das Sentinelas e perfuradores gigantes. O comandante Lock insiste em estratégias militares, enquanto outros buscam alternativas. A tensão entre os membros da liderança de Zion cresce, pois a cidade está prestes a ser cercada.
A Ascensão de Smith
Dentro da Matrix, o programa Agente Smith (Hugo Weaving) continua sua expansão sem limites. Ele copia todos os humanos e programas que encontra, transformando-os em versões de si mesmo. Entre suas vÃtimas está Oráculo, que, ao ser assimilada, fornece a Smith ainda mais poder e uma visão profética distorcida. Essa transformação o torna uma ameaça não apenas para os humanos, mas também para as próprias máquinas, já que Smith escapa de qualquer controle do sistema.
O Pedido de Neo
De volta ao mundo real, Neo revela que teve visões das máquinas e acredita que precisa ir até a Cidade das Máquinas para encerrar a guerra. Trinity decide acompanhá-lo, e eles partem a bordo da nave Logos, pilotada também por Niobe (Jada Pinkett Smith).
Ao mesmo tempo, outra nave, a Hammer, tenta retornar a Zion para ajudar na defesa.
O Ataque a Zion
O clÃmax na cidade começa quando milhares de Sentinelas invadem Zion. Os humanos se preparam em exoesqueletos de combate (APUs) e armamentos pesados. A batalha é intensa, com os soldados lutando bravamente, mas em desvantagem. Entre os combatentes estão o jovem Kid, que busca provar seu valor, e o capitão Mifune, que luta heroicamente até a morte para manter a defesa ativa.
O sacrifÃcio de Mifune permite que Kid complete a missão de disparar o canhão principal, atrasando o avanço das máquinas. Porém, Zion continua em risco, e a queda parece inevitável.
A Traição de Bane
Enquanto isso, na Logos, surge um perigo interno. O tripulante Bane (na verdade, uma versão de Smith que conseguiu se infiltrar no corpo de um humano no mundo real) ataca Neo e Trinity. Em uma luta brutal, Bane fere gravemente os olhos de Neo, deixando-o cego.
Mesmo sem visão, Neo descobre que consegue enxergar de outra forma: ele vê as máquinas como figuras douradas de energia, graças à sua conexão especial com a Fonte. Com essa nova percepção, ele consegue derrotar Bane/Smith definitivamente.
A Jornada até a Cidade das Máquinas
Neo e Trinity prosseguem rumo ao coração das máquinas. Durante a viagem, eles enfrentam uma barreira de Sentinelas que os ataca em massa. Trinity pilota habilmente, mas a nave é severamente danificada. Em um momento épico, eles emergem acima das nuvens escuras e, pela primeira vez, veem a luz real do sol brilhando sobre a Terra destruÃda.
Contudo, ao retornar à atmosfera carregada, a nave perde o controle. Eles colidem violentamente, e Trinity é fatalmente ferida pelos destroços. Em uma cena emocionante, ela e Neo compartilham suas últimas palavras antes de Trinity morrer nos braços dele.
O Encontro com a Fonte
Neo, devastado, segue sozinho até a Cidade das Máquinas. Ele chega ao núcleo e pede uma audiência com a entidade central conhecida como Deus Máquina (Deus Ex Machina). Neo oferece um acordo: destruir Smith, que se tornou uma ameaça tanto para humanos quanto para máquinas, em troca da paz com Zion.
As máquinas aceitam, e os ataques contra Zion cessam imediatamente. Neo é conectado à Matrix mais uma vez para enfrentar Smith.
O Confronto Final: Neo vs. Smith
A batalha final acontece sob uma chuva torrencial, em uma cidade da Matrix já dominada por cópias de Smith. A luta é épica, lembrando um combate entre deuses: voos, socos que abalam prédios e destruição em massa.
Smith, confiante após assimilar até mesmo o Oráculo, acredita estar destinado a vencer. Durante a luta, ele repete a visão da Oráculo, prevendo que derrotaria Neo.
No entanto, Neo entende que a única forma de vencer é se sacrificar. Ele permite que Smith o assimile, tornando-se também uma cópia. Nesse momento, as máquinas conectadas à Fonte enviam uma descarga de energia através do corpo de Neo, que se propaga dentro de Smith, destruindo todas as suas cópias de uma só vez. Smith é eliminado definitivamente.
O SacrifÃcio e a Paz
Com a morte de Smith, a Matrix é reiniciada. Neo, já sem forças, morre, seu corpo sendo levado pelas máquinas em sinal de respeito. Trinity permanece morta no mundo real, e Zion é poupada da destruição.
O EpÃlogo
No final, vemos a Matrix estabilizada. O Oráculo reaparece, revelando que sobreviveu, mas agora em uma nova forma devido à assimilação. Ela conversa com Sati, a jovem programa criada por Rama-Kandra, que manifesta um belo nascer do sol em homenagem a Neo.
O Arquiteto encontra o Oráculo e confirma que a paz entre humanos e máquinas será mantida, ao menos enquanto for respeitada. O filme encerra com a esperança de um futuro diferente, mas ainda incerto.