Tras el atentado de Sarkissian, éste y sus secuaces irrumpen en la casa de los Connor para recuperar el disco duro que les fue robado. Cameron, que sobrevive a la explosión no sin sufrir daños en su chip, entra para reducirlos y salvar a sus protegidos. Sarah y John se dan cuenta de que algo va mal cuando Cameron intenta matar a éste, y mientras huyen deciden cuál será su siguiente paso. Derek y Charley inician su búsqueda tras enterarse del incendio en la casa; Ellison, por otro lado es interrogado por el FBI acerca de la masacre en la que se convirtió la redada contra Cromartie, y cuenta otra versión de los hechos sabiendo que nadie le creerá si dice la verdad. El Turco tiene nueva propietaria: Catherine Weaver, directora ejecutiva de la compañía de alta tecnología ZeiraCorp, y quien ya tiene pensado el uso que va a darle.

Nada más encontrar un nuevo lugar donde vivir, Sarah y Derek se encuentran con un viajero del tiempo que les advierte del peligro que corre la planta nuclear de Serrano, emplazamiento controlado por la Resistencia en la guerra contra las máquinas. Junto con Cameron, Sarah se infiltra en la central como limpiadora para seguir de cerca a Carl Greenway, el posible responsable de una futurible catástrofe nuclear. John, mientras tanto intenta volver a hacer vida normal tras el incidente del día de su cumpleaños cuando conoce a una nueva compañera de instituto, Riley. Una visita de Ellison a su casa hace que Charley se vea forzado a contarle a su esposa que sabe más de Sarah de lo que decía, dando lugar a una crisis en su matrimonio.

Cromartie secuestra a Michelle Dixon, y Charley pide ayuda a Sarah para rescatarla. Ésta accede y acude junto con Derek, a pesar que sospechan que se trata de una trampa urdida por el T-888 para llevar a cabo su misión de asesinar a John. Éste último, por su parte elude la atenta vigilancia de Cameron para salir con su nueva amiga Riley. Ellison, suspendido de empleo y sueldo recibe una curiosa oferta de trabajo de Catherine Weaver: la directora ejecutiva de ZeiraCorp quiere que el federal le consiga cazar un cyborg como el que provocó la masacre del FBI y que se lo traiga cuanto antes.

Mientras está haciendo la compra, Cameron sufre un fallo en su sistema que le hace perder su memoria y acceder a los recuerdos de una vida pasada/futura. Mientras hace una nueva amiga en Jody, una chica con problemas que la lleva a un centro social, John recorre los barrios bajos buscándola. Kacy, la casera de Sarah, tiene problemas en su embarazo, y ésta la lleva a un hospital. Ellison empieza a investigar el pasado de Weaver antes de tomar una decisión acerca de su oferta de trabajo.

El asesinato de un hombre a manos de un T-888 pone sobre aviso a los Connor acerca del objetivo del Terminator: Martin Bedell, futuro miembro de la Resistencia. Quedando en la ciudad dos personas con ese nombre, John y Derek ingresan en una academia militar donde se encuentra el que parece ser la persona que busca el T-888, con la misión de protegerlo, mientras Sarah y Cameron deciden ir a buscar por su cuenta al otro Bedell antes de que el cyborg asesino lo encuentre primero. Weaver encomienda a Ellison su primera tarea, la cual consiste en descubrir lo que de verdad ocurrió en la central nuclear de Serrano.

Sarah y John comienzan a visitar la consulta de Boyd Sherman, un psicólogo cuyo nombre está en la lista que dejó el viajero del tiempo fallecido, para averiguar qué relación tiene con la Resistencia o con Skynet; allí John comenzará a hablar sobre su accidentado cumpleaños. Weaver acude también al doctor Sherman por problemas con su hija Savannah. Derek se reencuentra con Jesse, una antigua novia que ha venido del futuro por motivos desconocidos. Ellison comienza a preguntarse lo que se está llevando a cabo en en la planta de ZeiraCorp a la que tiene el acceso restringido, mientras El Turco comienza a comunicarse con imágenes cuyo significado nadie parece comprender.

Cuando los Connor sufren un robo en su casa, Sarah y Cameron comienzan a buscar a los ladrones con el objetivo de recuperar todo lo que les ha sido sustraído. Cromartie encuentra el rastro de Cameron y busca de puerta en puerta para dar con John; éste, que se encuentra en casa con Riley consigue eludirlo no sin que su amiga le pida explicaciones. Tras recibir la visita de un doble robótico que intenta matarlo, Ellison es detenido por un asesinato cometido por su sosias. Mientras, Derek sigue viéndose en secreto con Jesse.

Una escapada de John con Riley al pueblo mexicano de Dejalo es el punto de partida para uno de los días más intensos en las vidas de los Connor. Mientras Cromartie sigue la pista de su objetivo llevándose a Sarah de rehén Derek y Cameron acuden tan rápido como pueden en su ayuda. Ellison se convertirá en un inesperado aliado para evitar que la última cacería del T-888 tenga éxito.

Sarah empieza a tener extraños sueños cuyo referente en común son tres puntos colocados en la misma posición y acude al doctor Sherman intentando buscar un significado a los mismos. John y Cameron regresan a México dispuestos a desenterrar el cuerpo de Cromartie para destruirlo, pero descubren que alguien se les ha adelantado; su primer sospechoso será Ellison. Derek y Jesse interrogan a un hombre que ella ha secuestrado, y que supuestamente se trata de Charles Fischer, un colaborador humano de las máquinas que también ha venido del futuro con intenciones que ellos intentan descubrir.

La obsesión de Sarah por encontrar un sifnificado a los puntos de sus sueños le lleva hasta la compañía Dakara, la cual está desarrollando una inteligencia artificial que podría ser El Turco. Tras descubrir Derek que Jesse está espiando a los Connor, ésta se ve obligada a revelarle que vino del futuro para salvar a John de la influencia de Cameron; lo que no le dice es que ya tiene a alguien cerca suyo para ganarse su confianza. John busca una manera de contarle a Riley acerca de su lucha contra las máquinas, sin ser consciente de que su amiga sabe más del tema de lo que aparenta. La muerte del doctor Sherman mientras trabajaba con el proyecto Babylon pone sobre aviso a Ellison, quien empieza a tener dudas sobre las enseñanzas aprendidas por la inteligencia artificial.

En una de sus habituales visitas nocturnas a un campus universitario para adquirir conocimientos, Cameron reconoce a un T-888 en una foto tomada en la nochevieja de 1920. En compañía de un estudiante del campus, Eric, descubre datos acerca del hombre por el que se hacía pasar la máquina, que llevan a pensar en su siguiente paso, tras llevar unos 80 años desaparecido. Mientras, John asiste convencido por Riley a una fiesta en casa de un compañero de clase que no termina muy bien para ellos.

Con Sarah ocupada en la caza de otro Terminator, Derek tiene que hacerse cargo de otro de los objetivos de Skynet, Anne Fields, embarazada y herida de un disparo. Mientras el soldado atiende el parto de Anne con la única ayuda de la hija mayor de ésta, diversos recuerdos del pasado y del futuro vienen a sus mentes revelándose los sucesos que dieron lugar a esta situación, así como la importancia de que este parto llegue a buen término.

Sarah por fin encuentra a una persona que parece tener las respuestas a sus preguntas en relación a los tres puntos, los cuales podrían tener relación con un proyecto secreto en el que se trabaja con coltan, y que alguien se toma muchas molestias para que siga siendo secreto. La insistencia de John por querer saber cómo se ha hecho un moretón, así como un encontronazo con Cameron hacen que Riley se plantee si seguir con su misión o tirar la toalla. Ellison, por su parte, empieza a enseñar a El Turco, quien controla el cuerpo de Cromartie bajo el nombre de John Henry a distinguir el bien del mal.

Tras el incidente en el almacen de coltan Sarah despierta en un hospital en compañía de alguien a quien no esperaba ver; no tarda en escaparse y secuestrar a una cirujana para que le saque la bala de su pierna. John, quien ha llamado a los servicios de urgencias tras el intento de suicidio de Riley se enfrenta a Derek tras cuestionar éste su decisión y plantearle los riesgos que entraña. Ellison empieza a preocuparse por lo rápido que John Henry está aprendiendo, gracias a la ayuda de Internet; la máquina impresiona incluso a Weaver al descubrir su secreto.

Sarah y los suyos viajan a Charm Acres para asistir al funeral de los trabajadores de la fábrica descubierta por ella hace días y hablar con los familiares de los fallecidos a fin de encontrar una relación entre la misma y Skynet. El extraño comportamiento de algunos de ellos les hacen pensar que saben más de lo que aparentan, pero lo que descubrirán más tarde resulta ser aún más sorprendente incluso para los propios afectados.

Agobiada por las continuas pesadillas que tiene con el hombre de la organización Kaliba a quien mató en la fábrica, Sarah ha ingresado en una clínica donde se trata el sueño; allí descubre que los pacientes están siendo examinados por motivos fuera de lo ordinario, y que las máquinas de Skynet están detras de este asunto. Sin embargo, ¿está ella de verdad allí, o en realidad está siendo secuestrada por su "víctima"? ¿Cuál de las dos situaciones es un sueño y cuál es real?

Ttras matar accidentalmente una paloma, Cameron intenta reparar los daños de su brazo, aunque esta vez no está muy convencida de si John puede estar seguro a su lado. Derek sigue de cerca al abogado de la compañía en cuya fábrica Sarah fue herida con la intención de tenderle una emboscada. Preocupada por el intento de suicidio de Riley, Sarah contacta con su padre de acogida para descubrir que la chica sabe de ellos más de lo que debería y ha podido ponerles en peligro. Sometida a un acorralamiento y descubriéndose traicionada por Jesse, la amiga de John entabla un combate con ella que traerá consecuencias trágicas.

Después de matar a Riley, Jesse empieza a recordar su última misión a bordo del submarino Jimmy Carter durante la guerra, en la cual era una mujer distinta a la que ha llegado a sacrificar a una aliada. Mientras prepara la mudanza, Sarah se entera de la muerte de la amiga de John, e intenta convencer sin éxito a su hijo de que la única explicación a esto es que Cameron la ha matado. John Henry trae de cabeza a Weaver y Ellison cuando estos empiezan a buscar a Savannah, quien ha desaparecido tras jugar al escondite con la máquina.

Los recuerdos de Jesse revelan el fatídico destino del Jimmy Carter, así como el consecuente cambio en ella de su opinión acerca de las máquinas reprogramadas. Tras reconocer el cadáver de Riley en el depósito, John llega a la conclusión de que no fue Cameron quien la mató y se dispone a hacer una visita a la soldado del futuro, con planes muy distintos a los que Derek, decepcionado con la que fue su novia prepara para ella. John Henry comparte con Weaver sus inquietudes sobre los planes que tiene ella para Ellison.

Llega el día de la mudanza, y Sarah y John se trasladan a un nuevo destino que ella ya conoce: la nueva residencia de Charley, a quien pretende confiarle el cuidado de su hijo, mientras ella se dispone a librar su propia batalla. Tras limar asperezas, Cameron y Derek sufren un ataque, tras el cual la máquina tendrá que rescatar al soldado. Un ataque externo a John Henry pone de manifiesto una revelación que sorprenderá incluso a Weaver. Para cuando Sarah descubra que tanto ella como los suyos están siendo vigilados por los mercenarios de Kaliba ya será tarde para evitar un nuevo sacrificio...

Tras reunirse de nuevo con Sarah y los demás, John revela el próximo objetivo de los hombres que pretendían matarlos: Savannah Weaver. Tras un enfrentamiento con un Terminator que se salda con la muerte de Derek consiguen rescatar a la niña, lo que motiva un contacto con Ellison. Sarah llega a un trato con el ex-agente del FBI para llegar hasta Weaver (y con ello, llegar hasta John Henry) a cambio de devolver a su hija, pero volverá a sentir el amargo sabor de la traición.

Con Sarah en prisión, John y Cameron planean liberarla a pesar de que el sentido comun sugiere otra cosa, mientras Weaver encomienda a Ellison llevar al futuro líder de la Resistencia a su presencia para agradecerle el haber salvado a su hija. El joven y la cyborg consiguen liberar a Sarah con un plan de fuga poco discreto, tras lo cual se dirigen a ZeiraCorp para hablar con su directora ejecutiva, mientras Cameron se dispone a destruir a John Henry. Las verdaderas intenciones de Weaver, así como la magnitud del peligro al que se enfrentan son reveladas en este final de temporada en el que madre e hijo se separan para cumplir con distintas misiones, en distintas épocas...