La película comienza por mostrar a Trinity, quien está realizando una misión en la cual es asesinada por uno de los agentes quien esta persiguiéndola. Pero resulta que es una pesadilla de Neo que no deja de repetirse y que este decide no compartir con Trinity. Seis meses después de los hechos de la primera película, los tripulantes de la Nebuchadnezzar (Nabucodonosor) llegan al nivel de transmisión para entrar en Matrix y celebrar una reunión con capitanes de las otras naves. Los rebeldes de Sion, la última ciudad humana, han recibido inquietantes noticias: las máquinas tratan de penetrar en la ciudad subterránea perforando el subsuelo (se explica en The Last Flight of the Osiris, de The Animatrix y en Enter the Matrix). Han reunido un ejército de 250.000 centinelas dispuestos a destruir Sion y acabar con lo que queda de la humanidad libre.