Après un cauchemar terrifiant, Sarah réalise que son fils et elle ne sont pas à l'abri. Deux ans qu'ils sont au même endroit, la jeune femme fréquente même un certain Charley Dixon, qui vient de la demander en mariage. Conscience que la sécurité de John passe avant tout, elle décide qu'il est temps pour eux de reprendre la route... avant que les Terminators ne les retrouvent ! A moins qu'il ne soit déjà trop tard...

Téléportés en 2007, Sarah, John et Cameron doivent découvrir qui est la personne qui va concevoir la machine responsable de l'apocalypse. Il leut faut avant tout se procurer de nouvelles identités pour pouvoir se glisser dans leurs nouvelles vies...

Pour leur premier jour d'école, John et Cameron tentent de se fondre dans la masse. Pendant ce temps, Sarah rend visite à la veuve de Myles Dyson. Son but est d'arrêter ceux qui pourrait contribuer à la construction de Skynet. Tessa l'oriente vers un certain Andy Goode...

Sarah, John et Cameron s'intéressent à un mystérieux convoi de coltan, un métal clé dans la fabrication des Terminators. Cromartie se fait opérer par un chirurgien plasticien pour se créer une nouvelle identité faciale. John est séparé de sa mère alors que le camion contenant le chargement se dirige dans un bunker qui servira selon Cameron de future usine à Terminator. Ellison enquête sur le meurtre du chirurgien plasticien qui a opéré Cromartie et trouve des traces d'un sang hors normes.

Lorsque Andy Goode révèle à Sarah qu'il a reprogrammé son prototype et qu'il va le soumettre à une compétition d'échecs, elle s'inquiète au sujet des capacités cachées de cet ordinateur. Cameron est convoquée dans le bureau du directeur du lycée qui la savait proche de la jeune fille qui s'est suicidée. John se fait un nouvel ami et Cromartie se fait passer pour Robert Kester, un agent du FBI. L'agent Ellison quant à lui trouve une main de Terminator.

L'oncle de John, Derek Reese, est sévèrement blessé et a des flashback de sa vie dans le futur et de sa bataille contre les machines. Pendant ce temps, Sarah essaie de justifier son attitude passée auprès de Charlie qui découvre la vérité au sujet du jugement dernier et des Terminators.

Sarah s'introduit dans l'appartement de l'agent Ellison pour chercher le bras manquant du T-888. Elle découvre des dossiers, des fichiers et vidéos de son séjour à l'hôpital psychiatrique de Pescadero en 1992. Ces fichiers la mènent au docteur Silberman. Pendant ce temps, Cameron s'inscrit à des cours de ballet dirigés par Maria Shipkov, soeur de Dmitri, le possesseur actuel du Turk. John tombe sur les cassettes de sa mère et découvre ce qu'elle a enduré à Pescadero.

John et Derek se disputent au sujet de Cameron pendant que Sarah essaie de récupérer le Turk. James Ellison découvre que quelqu'un se fait passer pour un agent du FBI. Sarah, John, Cameron et Derek essaient par la suite de désactiver le futur réseau de surveillance de Skynet.

Sarah entre en contact avec un certain Sarkissian, qui pourrait lui vendre le logiciel Turk. Mais le prix de vente demandé est hors de portée... Derek se rappelle sa jeunesse et plus particulièrement ce jour de 2011 où il jouait avec son frère Kyle. Il en fait profiter John en l'amenant sur le lieu même de ses souvenirs... L'Agent Ellison se découvre un ennemi de poids au sein même du FBI... Pendant ce temps-là, Cromartie se rapproche dangereusement de John...

Affectée par l'explosion de sa voiture, la puce de Cameron se détraque. Le Terminator se lance alors à la poursuite de John Connor tentant de le tuer par tous les moyens.

Sarah et Cameron s'infiltrent dans une usine nucléaire destinée à devenir l'un des points stratégiques dans la future guerre qui opposera l'humanité aux machines. Pendant ce temps John reprend les cours et fait la connaissance de Riley avec qui il se lie rapidement.

Alors que sa femme est enlevée par Cromartie, Charlie appelle Sarah à la rescousse. Malgré ses appréhensions, celle-ci décide de lui venir en aide. Pendant ce temps John se rapproche de plus en plus de Riley...

Alors que sa puce est de nouveau altérée, Cameron perd la mémoire. Elle croise alors la route d'une sans-abri dénommée Jody qui décide de la prendre en charge. Très vite, d'étranges souvenirs refont surface et Cameron commence à se prendre pour Allison : l'humaine dont elle a pris l'identité. Pendant ce temps, l'agent Elison rencontre Catherine Weaver avec qui il discute de son futur au sein de la ZeiraCorp.

John et Derek infiltre une académie militaire pour protéger Martin Bledell, un futur membre de la résistance menacé de mort par un terminator. Pendant ce temps là Weaver charge Ellison d'enquêter sur l'incident de Serano Point...

La liste de noms conduit Sarah, John et Cameron à un psychiatre sur lequel ils décident d'enquêter tandis que Weaver fait appel au service du même homme pour améliorer sa relation avec sa fille. Pendant ce temps-là une vieille connaissance de Derek fait son apparition...

La maison des Connor est cambriolée et Sarah part en quête des biens volés. Cromartie remonte peu à peu jusqu'à John en suivant la trace de Cameron tandis qu'un second Terminator tente de tuer Ellison...

John a fait une fugue. Lui et Riley sont en route vers le Mexique. Cromartie trouve la cachette des Connors et enlève Sarah, pensant qu'elle le conduira jusqu'à son fils...

A son retour en ville Sarah est tourmentée par d'étranges cauchemars. Elle décide de retourner voir le docteur Sherman pour trouver une explication. John et Cameron repartent vers le Mexique pour détruire le corps de Cromartie mais celui-ci a disparu. Jesse séquestre un homme persuadé qu'il vient du futur mais lorsqu'elle le présente à Derek celui-ci affirme ne l'avoir jamais vu de sa vie...

Un symbole inscrit parmi la liste de noms sur le mur du garage conduit Sarah jusqu'à une entreprise d'informatique. Elle est alors persuadée d'avoir retrouvé la trace du "Turk" mais Derek reste sceptique. Ellison enquête sur la mort supposée accidentelle d'un membre de l'équipe de Weaver: le docteur Sherman. Jesse expose quant à elle les vraies raisons de son retour à Derek...

La nuit, Cameron se rend à la bibliothèque municipale où elle rejoint Eric, le gardien des lieux. Elle tombe alors sur une photographie datant des années 20 sur laquelle elle reconnaît un Terminator. Se doutant que quelque chose ne colle pas, Cameron, assistée par Eric, mène son enquête. Pendant ce temps John reçoit un coup de téléphone inquiétant de la part de Riley...

Sarah et Cameron tentent de sauver la vie d'une famille qui se trouve sur la liste. Un seul membre de cette famille tiendra un rôle important dans le future mais personne ne sait qui...

L'obsession de Sarah pour les trois points s'intensifie. Elle piste un blogger qui a une connaissance approfondie du symbole, et elle finit par trouver quelque chose qu'elle n'aurait jamais prévu. Pendant ce temps, Riley se rapproche de John et fait face à Cameron...

Blessée à la jambe, Sarah est guidée par l'image du père de John, Kyle Reese. Pendant ce temps, Weaver protège les résultats de John Henry qui ont donné des conséquences mortelles...

Sarah, John, Cameron et Derek examinent la ville de société connectée à l'usine détruite tandis que Weaver envoie à son propre homme dans la ville à la recherche d'un potentiel survivant...

Pour mettre fin à ses cauchemars et ses insomnies, Sarah décide de se rendre dans une clinique spécialisée dans l'étude du sommeil...

Sarah découvre que son fils a révéler certains de leurs secrets à Riley et s'inquiète de ce que pourrait lui faire Cameron si elle l'apprenait. Celle-ci est dotant plus dangereuse que sa puce endommagée rend son comportement imprévisible.

Le corps de Riley est retrouvée et les soupçons se portent aussitôt sur Cameron mais John lui accorde malgré tout le bénéfice du doute, au grand dam de sa mère. De leurs côtés, Jesse médite sur son passé et Ellison continue tant bien que mal à inculquer les notions de bien et de mal à John Henry...

La mission sous-marine de Jesse dans l'avenir prend une tournure fatale qui a des effets imprévus sur John, Sarah et Derek dans le présent. John doit faire un choix difficile...

John Henry subit un piratage faisant déraper son système; après avoir été remis en état de marche, ce dernier explique que ce dysfonctionnement provient d'une IA encore plus performante, selon ses termes, un de ses "frères"... De leurs côtés, John et le reste de la famille déménage à nouveau mais malheureusement pour eux, les ennuis continuent...

En essayant de sauver la nouvelle cible de Skynet, John se rapproche de Weaver. Ce changement de plan force Sarah à revoir Ellison.

Alors que les Connor rencontrent Weaver, le destin de John est changé à jamais. Plus rien ne sera pareil...