Dans le futur, une partie de la population vit à l'intérieur d'un monde virtuel appelé la Matrice. Les humains libres habitent quant à eux la ville souterraine de Zion, qu'ils se préparent à défendre contre l'attaque imminente des machines.
Le combattant Neo quitte Zion en compagnie de sa compagne Trinity afin de se rendre dans la cité des machines où il espère trouver une résolution au conflit. Mais le temps presse, car des milliers de machines guerrières ont réussi à percer le mur défensif de Zion.
Arrivé à destination, Neo conclut une trève avec l'ennemi, mais une paix définitive ne sera possible que si le jeune homme retourne dans la Matrice pour éliminer l'agent rebelle Smith, qui menace autant les humains que les machines.