Abertura: A Invasão em Tóquio
O filme se inicia em Tóquio, no Japão, mostrando o caos da infecção do T-vírus que se espalhou pelo mundo. Uma jovem, aparentemente comum, está parada na calçada em meio ao movimento da cidade. De repente, ela ataca violentamente um homem, revelando-se uma zumbi. A cena muda para a revelação do Quartel-General da Corporação Umbrella, construído em uma base subterrânea altamente protegida.
Alice (Milla Jovovich), agora multiplicada em diversos clones criados a partir das experiências de Umbrella, invade o complexo. Ela e suas cópias avançam sobre as defesas, enfrentando guardas fortemente armados. A batalha culmina com a destruição em massa das instalações e a morte da maioria dos clones, mas o líder da Umbrella, Albert Wesker (Shawn Roberts), consegue escapar.
No confronto, Alice entra no avião onde Wesker se encontra, mas ele a surpreende ao injetar nela um antídoto que remove seus poderes sobre-humanos. Antes que possa matá-la, o avião explode, e Alice sobrevive por pouco.
O Mundo Destruído
Seis meses depois, Alice viaja em busca de sobreviventes. Ela grava mensagens em vídeo como um diário, relatando sua jornada solitária. Seguindo a última pista de Claire Redfield (Ali Larter) e de seu grupo, Alice voa até o Alasca em busca de Arcádia, uma suposta zona livre de infecção.
Ao chegar, Alice encontra dezenas de aviões abandonados em um campo de pouso. Não há sobreviventes, exceto Claire, que aparece confusa e com um estranho dispositivo metálico preso ao peito — uma aranha robótica da Umbrella que a controla e apaga suas memórias. Alice remove o aparelho, mas Claire continua em estado de amnésia.
Los Angeles em Ruínas
Alice e Claire seguem viagem em um avião até Los Angeles devastada, onde localizam um grupo de sobreviventes escondido em uma prisão cercada por milhares de zumbis. Entre eles estão:
- Luther West (Boris Kodjoe), ex-jogador de basquete e líder improvisado;
- Bennett (Kim Coates), produtor de cinema egoísta;
- Kim Yong (Norman Yeung), técnico de informática;
- Crystal (Kacey Barnfield), atriz em ascensão;
- e outros poucos que ainda resistem.
Alice descobre que o navio Arcádia, mencionado nos sinais de rádio, está ancorado na costa da cidade. O grupo acredita que a prisão é segura, mas os suprimentos estão acabando e a ameaça externa aumenta a cada dia.
O Perigo Dentro dos Muros
Logo, o grupo enfrenta novas ameaças. Um enorme mutante, conhecido como O Carrasco, surge empunhando um machado gigante e começa a atacar os portões da prisão. Dentro da prisão, os sobreviventes também se mostram perigosos: Bennett revela-se covarde e traiçoeiro.
Alice descobre que, nos porões, está preso Chris Redfield (Wentworth Miller), irmão de Claire. Ele afirma conhecer uma rota de fuga para chegar até o Arcádia, mas todos desconfiam. Somente depois de insistência e pela pressão da invasão iminente dos mortos-vivos, Chris é libertado.
A Fuga da Prisão
Os zumbis, agora mutados com mandíbulas que se abrem em tentáculos (semelhantes aos Majini dos jogos), conseguem infiltrar-se na prisão. O grupo decide fugir pelos esgotos, planejando alcançar a costa. Durante a fuga, vários são mortos: Crystal é atacada e arrastada; Kim Yong fica para trás; Bennett trai o grupo, mata Angel (Sergio Peris-Mencheta) e foge com o avião de Alice, deixando todos à própria sorte.
Enquanto isso, Alice, Claire, Chris e Luther enfrentam o Carrasco em uma das cenas mais marcantes: uma batalha no banheiro da prisão, onde Alice e Claire unem forças para derrotar a criatura.
O Arcádia
Finalmente, os sobreviventes restantes alcançam o Arcádia, um imenso navio cargueiro aparentemente vazio. A bordo, eles descobrem que não se trata de um refúgio, mas sim de mais um centro de experimentos da Umbrella.
Lá, encontram centenas de cápsulas criogênicas cheias de pessoas vivas em estado de hibernação — entre elas, K-Mart (Spencer Locke), companheira de Claire desaparecida no filme anterior.
No coração do navio, Alice encontra Wesker, vivo e ainda mais poderoso. Ele revela que, após infectar-se com o T-vírus, precisou lutar contra a mutação interna para manter sua forma humana. Agora, deseja usar Alice como “hóspede perfeito” para estabilizar o vírus em seu corpo.
O Confronto Final
Alice, Claire e Chris enfrentam Wesker em uma batalha intensa. O vilão demonstra velocidade e força sobre-humanas, quase impossível de derrotar. No entanto, com trabalho em equipe, eles conseguem enfraquecê-lo.
Durante o combate, Bennett reaparece, revelando-se cúmplice de Wesker. Mas o plano não dá certo: Alice prende Bennett em uma cápsula de contenção.
Ao final, Wesker tenta escapar no mesmo avião que Bennett havia roubado, mas Alice planta explosivos no navio e aciona o detonador. O avião explode no ar, aparentemente matando Wesker — embora o espectador veja que ele sobrevive ao último segundo, abrindo um paraquedas.
O Cerco Final
Alice liberta os sobreviventes presos nas cápsulas e assume o controle do Arcádia como um verdadeiro santuário para humanos. No entanto, a esperança dura pouco: dezenas de helicópteros da Umbrella se aproximam, liderados por uma nova figura poderosa — Jill Valentine (Sienna Guillory), agora sob controle da corporação, com o mesmo dispositivo robótico preso ao peito que havia manipulado Claire.
O filme termina com Alice, Claire, Chris e os sobreviventes prontos para enfrentar mais uma batalha, enquanto o cerco da Umbrella começa sobre o Arcádia.