锡安城的人类抵抗组织面临着机器人大军的围攻。尼奥（基努·里维斯饰）意识到他的预言是真实的，他必须找到称为“钥匙人”（Keanu Reeves饰演的尼奥）的人来解开迷团。同时，尼奥还在与锡安领袖莫法斯（劳伦斯·菲什伯恩饰）和崔妮蒂（凯瑞-安·莫斯饰）的合作中寻求帮助。

在他的探索过程中，尼奥遇到了梅罗文吉安（兰道·詹姆斯饰），一个自称为“梦境创造者”的程序，他揭示了尼奥必须完成的任务。尼奥进入了名为“梦境”的虚拟世界，与“黄衣人”（雨果·维文饰）进行一系列的对话和战斗，试图找到破解矩阵的方法。

与此同时，尼奥的伙伴们在锡安城内发现了一个危险的程序，名为“工程师”，他们必须与他合作以保护人类的未来。在一场激烈的追逐和战斗中，尼奥和他的盟友们决定在机器人大军来袭之前进攻矩阵的核心。