O filme começa com Neo preso em uma estação de trem. Nesta estação, programas são retirados e colocados da Matrix por um outro programa chamado de Maquinista, que é dominado pelo Merovigian. Depois de uma conversa com três programas, Neo descobre que não conseguirá sair dali (porque Merovigian proibiu o maquinista de fazê-lo). A Oráculo chama Morpheus e Trinity para falar sobre a situação de Neo. Ele está preso entre o mundo real e o virtual e a única maneira de salvá-lo é capturando-o de Merovigian. Eles vão atrás de Merovigian e conseguem convencê-lo a devolver Neo. Ele pede para falar com o Oráculo que lhe explica que não contou nada sobre os outros escolhidos, sobre o arquiteto e todo o resto que não foi explicado no segundo filme. Descobre também que o Agente Smith é a sua parte na equação que anula o Neo da Matrix. Fala também que o futuro está em suas mãos e que tudo que tem um começo, tem um fim. Depois disto, Agente Smith entra no prédio e consegue clonar o guardião do Oráculo e o próprio Oráculo. Com isto, ele consegue ver o que o Oráculo via, ou seja, o futuro.
Ele volta para nave e no momento que ele acorda, Bane também sai do coma. Eles tentam voltar para Zion (com as duas naves que ainda sobram), mas Neo pede uma das naves para ir a cidade das máquinas. Depois de todos relutarem, eles decidem dar uma nave ao Neo.
Na nave estão Neo, Trinity e Bane (que foge depois de matar uma das tripulantes). Uma das naves parte para Zion enquanto a outra parte para a Cidade, mas antes de partir, há uma luta entre Neo e Agent Smith. Durante a luta, Bane cega Neo, que passa a ver tudo referente a Matrix de forma diferente e, mesmo cego, consegue matar Bane. Depois disto, é mostrada a resistência dos homens ao ataque das máquinas. É uma cena longa, mas que realmente vale a pena ver. Eles vencem o primeiro round da luta graças à nave que estava indo em direção a Zion (na qual estavam Morpheus e Niobe) e seu pulso eletro magnético. Quando o segundo round está para começar, Neo consegue alcançar a cidade das máquinas. Lá, depois de um ataque de milhões de sentinelas (as quais ele consegue destruir a maioria, mas não de todas), ele ultrapassam as nuvens para fugir das sentinelas restantes e na a queda da nave, Trinity morre.
Ele vai ao encontro do chefe das máquinas e propõe uma trégua em troca de derrotar o Agente Smith. As máquinas aceitam e conectam Neo na Matrix. Neste momento, todas as máquinas que estavam atacando Zion param com o ataque e começa a luta tão esperada. Antes da luta, Agente Smith fala que já havia previsto, graças aos olhos do Oráculo, que ele conseguiria vencer a luta.
Perto do fim da luta, Agente Smith fala que havia previsto aquele fim e que deveria dizer algo como “Tudo que tem um começo, tem um fim”, mas acaba ficando preocupado e com medo de Neo depois de dizer isto. Ele acaba clonando Neo, mas para seu azar, Neo sabia que se ele fosse clonado, o chefe das máquinas conseguiria destruir Agent Smith. Isto ocorre, e no fim, Neo morre deixando a paz entre homens e máquinas como previa desde o começo Morpheus.
No fim, aparece o arquiteto e o Oráculo conversando sobre o futuro da paz entre as máquinas. É um diálogo rápido e muito interessante, pois mostra a visão de um programa que queria a paz e outro que não.
