Em 2029 uma inteligência artificial chamada Skynet será criada para toda a rede de defesa americana, porém sairá de controle e irá considerar todos os humanos uma ameaça, então irá roubar todos os códigos de lançamento de todas as bombas nucleares dos Estados Unidos e lançá-las contra alvos russos, provocando uma guerra nuclear. Os sobreviventes serão cercados pelos CAs (caçadores assassinos) e serão enviados para campos de extermínio. À beira da extinção, um homem chamado John Connor irá liderar os humanos num levante contra as máquinas. Ensinando formas de enganá-las, John vai levar os humanos para uma vantagem. Prestes a ser destruída, a Skynet irá enviar um ciborgue Cyberdyne 101 para matar Sarah Connor, mãe de John, antes mesmo dele nascer. Após capturarem um complexo de laboratórios, a resistência descobre o plano da Skynet e o tenente Kyle Reese se oferece para ir ao passado no ano de 1984 proteger Sarah mesmo sabendo que o complexo será destruído, e ele e o exterminador ficarão presos no passado para sempre.
Após chegar ao presente, o exterminador rouba uma loja de armas e procura pelo endereço de Sarah Connor em uma lista telefônica (pois a Skynet só sabia o nome e o sobrenome da mãe de John e o local onde ela morava, Los Angeles) e encontra três mulheres com esse nome. O exterminador vai até elas, mata duas delas, restando apenas a Sarah certa. Enquanto que Kyle ao chegar ao presente, rouba uma espingarda de uma viatura da polícia. Em uma noite, quando Sarah vai para uma boate, o exterminador vai até sua casa e mata sua colega de quarto Ginger e seu namorado, mas através de uma mensagem telefônica enviada por Sarah para Ginger, ele consegue descobrir sua localização e usando a foto da carteira de motorista de Sarah, o exterminador finalmente descobre sua aparência. Ele vai até à boate e quando estava prestes a matá-la, Kyle dispara contra ele salvando-a. Os dois fogem do local roubando um carro e ele explica-lhe que teve de esperar o exterminador atacar para identificá-lo.
Os primeiros robôs infiltrados tinham pele de borracha e eram fáceis de se identificar, mas depois foram produzidas peles mais reais, sangue e tudo para torná-los mais humanos, e por isso era preciso usar cães para identificá-los. O exterminador rouba um carro da polícia e começa a persegui-los e outras viaturas são chamadas. A perseguição termina com Kyle fazendo o ciborgue bater contra uma parede, mas eles acabam sendo encurralados pela polícia. Kyle e Sarah são levados até à delegacia e o exterminador foge (pois havia ficado sem munição). Kyle é interrogado pelos polícias, mas ninguém acredita nele e acham que ele é louco.
Pouco depois, o exterminador armado invade a delegacia atrás de Sarah dando início a um tiroteio onde vários polícias são mortos. Kyle e Sarah usam o tumultuo para escapar. Eles fogem até um motel onde Reese revela que sabia que ela era a Sarah verdadeira, pois John tinha dado uma foto dela para ele e ele havia se apaixonado por ela, por isso se voluntariou. Os dois fazem amor. O exterminador, usando a agenda de Sarah, descobre o endereço de sua mãe e vai à casa dela onde ele a mata. Em uma conversa por telefone com Sarah (o ciborgue copia a voz da mãe de Sarah) descobre em qual motel estavam. Sarah e Kyle percebem a chegada do exterminador graças aos latidos de um cachorro do motel e eles novamente roubam um carro e fogem e o exterminador começa a persegui-los com uma moto e dispara várias vezes contra eles, então Kyle joga bombas caseiras contra o ciborgue, porém não acerta nenhuma e acaba sendo baleado e perde a consciência. Então Sarah faz uma manobra que como consequência derruba o exterminador da moto. Logo em seguida, ele é atropelado por um caminhão de combustível, enquanto o carro que ela dirigia acaba capotando.
Sarah faz Kyle recobrar os sentidos, e o exterminador toma conta do caminhão e tenta atropelar Sarah e Kyle, que fogem a pé. Kyle para e manda Sarah continuar correndo, então acende e joga uma bomba no cano de escapamento do caminhão. A explosão destrói o caminhão e a parte biológica do exterminador, mas a sua parte robóticacontinua funcionando. Eles correm até uma fábrica, onde Kyle usa uma barra de aço para atacar o exterminador, mas não consegue causar nenhum dano ao robô, que o golpeia no rosto jogando-o a certa distância. Quando ia agarrá-lo, Kyle acende e coloca sua última bomba numa vértebra exterminador causando uma explosão Reese morre na explosão, que destrói o corpo do robô da cintura para baixo, e alguns de seus estilhaços atingem as pernas de Sarah, impedindo-a de andar. O exterminador contudo ainda segue funcionando. Ele começa a perseguir Sarah, que rasteja até uma prensa. Ao atravessar a prensa, ela fecha a grade prendendo o exterminador dentro, ele a agarra pelo pescoço e tenta estrangulá-la, mas ela consegue apertar o botão e ligar a prensa derrotando o exterminador finalmente.
O filme termina com Sarah (que havia sido engravidada por Kyle) no México gravando uma fita para John dizendo para ele não deixar de mandar Reese para o passado por ele ser seu pai, pois se não fizer isso, nunca irá existir. Enquanto isso um menino bate uma foto de Sarah e a vende a ela por 4 dólares. Essa será a foto que Sarah dará a seu filho e que, no futuro, será dada por John ao Kyle, originando a paixão dele por Sarah.
No ano de 2084, o operário Douglas “Doug” Quaid recorre a um implante de memória, para poder simular uma viagem a Marte, já que sua esposa não concordava com uma viagem real. Mas algo sai errado e ele começa a se lembrar de quem realmente era e de fatos que, até então, desconhecia. Perseguido por visões daquele planeta, resolve ir até lá para conseguir respostas sobre seu passado e é perseguido por Lori, que ele pensava ser sua mulher. Ao chegar em Marte, une-se a um grupo de rebeldes que lutam contra uma corporação que quer dominar o planeta e, consequentemente, dominar o mercado de minério na Terra. Esses rebeldes conhecem o passado de Douglas “Doug” Quaid e ajudam-no a conhecer o verdadeiro propósito das visões e sonhos que o mesmo tem. Assim, torna-se a única esperança de vitória dos habitantes locais.
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