Die Handlung schließt unmittelbar an das Ende von Matrix Reloaded an: Neo liegt ohnmächtig an Bord des Hovercrafts Hammer. Nachdem er mehrere Wächter ausgeschaltet hatte, fiel er scheinbar in ein Koma. Jedoch gleichen die bei ihm gemessenen Gehirnaktivitäten nicht denen eines Menschen im Koma, sondern einer Person, die sich in die Matrix eingeklinkt hat. Bane, der einzige Überlebende aus der vorausgegangenen Schlacht gegen die Maschinen, befindet sich ebenfalls ohnmächtig an Bord. In Matrix Reloaded wurde Bane von Smith überschrieben, während er seinen Rücktransfer aus der Matrix einleitete, wodurch Smiths „Geist“ – anstelle von Banes – in dessen Körper zurücktransferiert wurde.
Aufgrund der Gehirnaktivitäten lässt Morpheus in der Matrix nach Neo suchen. Neo befindet sich allerdings an einem Ort zwischen der Matrix und der Maschinenwelt. Diese Zwischenwelt stellt sich als eine Art U-Bahn-Station dar. Als Neo auf dem Bahnsteig erwacht, findet er dort ein kleines Mädchen namens Sati und dessen Eltern vor, die auf den Trainman und dessen Zug warten. Die Eltern stellen sich als Programme vor, die ihre Tochter in die Matrix schmuggeln wollen. Die Tochter wurde von den Eltern nur aus Liebe erschaffen, sie erfüllt in der Maschinenwelt keinen Zweck und würde gelöscht werden. Neo erfährt somit mit Erstaunen, dass Programme Gefühle empfinden und lieben können.
Der Trainman ist das Programm, das den Zwischenwelt-Bahnhof kontrolliert. Er arbeitet im Auftrag des Merowingers, der diese Zwischenstation als Verbindung benutzt, um Programme in die Matrix oder aus ihr heraus zu schmuggeln. Dies erfahren Morpheus und Trinity, als sie sich zum Orakel begeben. Mit den neuen Informationen über den Verbleib von Neo suchen sie mit der Unterstützung von Seraph in einer Diskothek den Merowinger auf. Der Merowinger verlangt die Augen des Orakels, wenn er Neo aus der Zwischenwelt freilassen soll. Nach einem kurzen Kampf gelingt es Trinity, den Merowinger mit einer Waffe zu bedrohen, so dass dieser einlenkt und Neo freigibt.
Nach seiner Freilassung besucht Neo das Orakel, bei dem das Mädchen Sati Zuflucht gefunden hat. Das Orakel hat ein anderes Aussehen, da seine Hülle gelöscht wurde und es sich eine neue suchen musste. Neo erhält weitere Informationen über seine Aufgabe und über Smith. Smith ist das Äquivalent zu Neo, das Ergebnis der Gleichung des Architekten der Matrix, der ein Gleichgewicht der Kräfte innerhalb der Matrix anstrebt. Anschließend kehren Neo, Morpheus und Trinity in die reale Welt zurück. Kurz darauf nimmt Smith das Haus des Orakels ein, überschreibt Seraph, Sati und das Orakel. Es wird deutlich, dass Smith nach dem Überschreiben die Erinnerungen seiner Opfer auslesen kann.
Bane ist inzwischen wieder erwacht und soll als einziger Überlebender der Schlacht erklären, warum ein elektromagnetischer Impuls zu früh ausgelöst wurde. Er selbst behauptet, dass er sich an nichts mehr erinnern könne. Bevor ihm die Ärztin des Schiffs ein Mittel spritzen kann, das ihm bei der Erinnerung helfen soll, gesteht er ihr seine Sabotage und tötet sie.
Währenddessen wird Niobes Schiff, die Logos, gefunden. Neo erklärt den versammelten Mannschaften, er wisse, was er zu tun habe und er brauche ein Schiff, um in die Maschinenstadt zu gelangen. Niobe überlässt ihm die Logos. Alle anderen versuchen, mit der Hammer zurück nach Zion zu kommen, wobei man hofft, noch in die Entscheidungsschlacht gegen die Wächter eingreifen zu können.
Neo und Trinity wollen allein mit der Logos aufbrechen. Trinity wird bei den Vorbereitungen von Bane, der sich unbemerkt auf das Schiff geschlichen hat, angegriffen und überwältigt. Als Neo eingreift, entbrennt ein Zweikampf. Neo erblindet, als Bane ihm ein elektrisches Kabel in das Gesicht stößt. Trotz fehlenden Augenlichts kann Neo Smith in Banes Körper wahrnehmen und Bane überwältigen.
In Zion sind derweil die Wächter in das Dock eingedrungen, die Endschlacht um Zion beginnt. Niobe steuert die Hammer, verfolgt von einer Schar von Wächtern, durch einen Wartungstunnel bis ins Dock. Durch den Einsatz eines elektromagnetischen Pulses versucht die Besatzung, alle sich im Dock befindlichen Wächter auszuschalten. Dabei wird die gesamte elektronische Verteidigungstechnik von Zion zerstört. Die Menschen müssen sich in den Tempel zurückziehen, als eine neue Welle von Wächtern den Kampf wieder aufnimmt.
In der Zwischenzeit sind Neo und Trinity an der Erdoberfläche angekommen und können trotz heftiger Gegenwehr der Wächter bis in das Zentrum der Maschinenstadt vordringen. Durch ein Ausweichmanöver über die Wolken können sie angreifende Wächter abschütteln, verlieren aber die Kontrolle über das Schiff und stürzen ab. Trinity wird bei dem Aufprall tödlich verletzt und stirbt erneut in Neos Armen.
Neo betritt die Maschinenstadt, um dort mit den Maschinen zu verhandeln. Neo erklärt, dass das Programm Smith außer Kontrolle geraten sei und somit auch eine Gefahr für die Maschinen darstelle. Er bietet an, Smith zu besiegen, und fordert als Gegenleistung einen Frieden zwischen Menschen und Maschinen. Die Maschinen akzeptieren und schließen Neo an die Matrix an, die mittlerweile von Smith komplett übernommen wurde.
Es kommt zum entscheidenden Kampf, den ein Smith allein bestreitet, da er sich sicher ist, dass er siegen wird. Als Neo am Boden liegt, spricht Smith davon, wie er dies vorausgesehen habe, und gibt, beseelt vom Orakel, einen ihrer Sätze wieder: „Alles, was einen Anfang hat, hat auch ein Ende, Neo“. Neo gibt daraufhin scheinbar auf und lässt sich von Smith überschreiben. Als Reaktion schickt der Zentralrechner der Maschinen einen Elektroschock durch Neos Körper, wodurch Neo/Smith getötet und Smith sowie dessen Kopien zerstört werden.
Die Wächter sind bis vor den Tempel von Zion vorgerückt. Sie brechen jedoch wie versprochen ihren Angriff ab und ziehen sich zurück. Morpheus und den anderen wird klar, dass Neo sie gerettet hat. Gleich darauf wird die Matrix neu gestartet. Am Ende treffen sich das Orakel und der Architekt in der Matrix. Der Architekt stellt die Frage, wie lange dieser Frieden halten solle, woraufhin das Orakel antwortet: „So lange es geht!“
Quelle: Wikipedia
Thema: Matrix - Revolutions 
