Sono passati dieci anni da quando John Connor (Nick Stahl) ha contribuito a impedire il Giorno del Giudizio e a salvare l'umanità dalla distruzione di massa. Ora che ha 22 anni, Connor vive lontano dalla rete: niente casa, niente carte di credito, niente cellulare e niente lavoro. Nessuna traccia della sua esistenza. Non c'è modo di rintracciarlo da Skynet, la rete di macchine altamente sviluppate che una volta ha cercato di ucciderlo e di muovere guerra all'umanità. Finché... dall'ombra del futuro esce il T-X (Kristanna Loken), la più sofisticata macchina assassina cyborg di Skynet. Inviata indietro nel tempo per completare il lavoro lasciato in sospeso dal suo predecessore, il T-1000, questa macchina è tanto implacabile quanto belle sono le sue sembianze umane. Ora l'unica speranza di sopravvivenza per Connor è il Terminator (Arnold Schwarzenegger), il suo misterioso ex assassino. Insieme, dovranno trionfare sul T-X, tecnologicamente superiore, e prevenire l'incombente minaccia del Giorno del Giudizio.... oppure affrontare l'apocalisse e la caduta della civiltà come la conosciamo.
Sebbene il creatore di Terminator James Cameron fosse interessato a dirigere un terzo film, alla fine non fu coinvolto in Terminator 3. Andrew G. Vajna e Mario Kassar, che avevano prodotto Terminator 2: Il Giorno del Giudizio con la loro società Carolco Pictures, ottennero i diritti per il franchise grazie all'asta di liquidazione della Carolco e alle trattative con la produttrice Gale Ann Hurd. Nel 1999, Tedi Sarafian fu assunto per scrivere la prima bozza della sceneggiatura. Mostow si unì al progetto come regista nel 2001 e coinvolse John Brancato e Michael Ferris per riscrivere la sceneggiatura di Sarafian. Il budget di 187 milioni di dollari comprendeva un compenso di 5 milioni di dollari per Mostow e un compenso record di 30 milioni di dollari per Schwarzenegger. Le riprese si sono svolte in California da aprile a settembre 2002. Industrial Light & Magic (ILM) e Stan Winston hanno creato gli effetti speciali, come per il film precedente.
Terminator 3: Rise of the Machines è stato presentato in anteprima a Westwood, Los Angeles, il 30 giugno 2003 ed è stato distribuito il 2 luglio 2003 dalla Warner Bros. Pictures negli Stati Uniti e dalla Columbia TriStar Film Distributors International nei territori mondiali. Ha ricevuto recensioni generalmente positive e ha guadagnato 433,4 milioni di dollari in tutto il mondo, terminando la sua corsa nelle sale come il settimo film di maggior incasso del 2003. Un sequel, Terminator Salvation, è uscito nel 2009.
Diversi anni dopo aver distrutto la Cyberdyne Systems, John Connor vive come un nomade dopo la morte di sua madre Sarah per nascondersi dalla malevola intelligenza artificiale Skynet, nonostante nel 1997 non si sia verificata una guerra tra umani e macchine, come previsto. Non riuscendo a localizzare John nel passato, Skynet invia il T-X, un prototipo avanzato di Terminator mutaforma fatto di metallo liquido praticamente impenetrabile, indietro nel tempo fino al presente di John a Los Angeles, per uccidere i suoi futuri alleati nella resistenza umana. La resistenza umana invia un altro Terminator T-800 riprogrammato, un endoscheletro metallico meno avanzato ricoperto di carne sintetica, per proteggere gli obiettivi del T-X, tra cui John e la sua futura moglie Kate Brewster.
Dopo aver ucciso altri obiettivi, il T-X individua la coppia in un ospedale per animali, dove lavora Kate. John diventa l'obiettivo principale del T-X, ma il Terminator aiuta lui e Kate a fuggire, portandoli in un mausoleo dove presumibilmente è sepolta la madre di John. All'interno della sua tomba, trovano un deposito di armi lasciato su richiesta di Sarah nel caso in cui il Giorno del Giudizio non fosse stato scongiurato e i Terminator fossero tornati. Fuggono da uno scontro armato con la polizia e respingono il T-X che li insegue. Il Terminator rivela che le azioni di John e Sarah hanno solo ritardato il Giorno del Giudizio e che l'attacco di Skynet avverrà quel giorno; il Terminator intende portare John e Kate in Messico per sfuggire alle conseguenze dell'attacco nucleare di Skynet alle 18:18. John ordina al Terminator di portare Kate e lui a trovare suo padre, il tenente generale dell'aeronautica statunitense Robert Brewster. Kate accetta su sua identica richiesta, dato che aveva riprogrammato il Terminator, che aveva ucciso John nel futuro, per tornare indietro nel tempo e ricevere ordini.
Nel frattempo, il Generale Brewster supervisiona lo sviluppo di Skynet per la Cyber Research Systems (CRS), che sviluppa anche armi autonome. Il Presidente degli Stati Maggiori Riuniti gli fa pressione affinché attivi Skynet per impedire che un virus informatico anomalo invada i server di tutto il mondo. Il Generale Brewster scopre troppo tardi che il virus era in realtà Skynet che stava lentamente prendendo coscienza di sé. John e Kate arrivano troppo tardi per impedire l'attivazione di Skynet. Il T-X ferisce mortalmente il Generale Brewster e attiva le macchine armate del CRS, che uccidono i dipendenti. Prima di morire, il Generale Brewster fornisce a Kate e John la posizione di quello che John ritiene essere il nucleo del sistema di Skynet. I due si dirigono verso la pista per prendere l'aereo monomotore del Generale Brewster e raggiungere Crystal Peak, una struttura costruita all'interno della Sierra Nevada. Dopo una battaglia, il T-X danneggia gravemente il Terminator, riprogrammandolo per uccidere John, e insegue John e Kate attraverso la struttura del CRS. Quando un acceleratore di particelle viene attivato, lega magneticamente il T-X all'apparecchiatura. Il Terminator, ancora cosciente, lotta per controllare le sue funzioni esterne. Mentre si prepara a uccidere John, quest'ultimo esorta il Terminator a scegliere tra le sue programmazioni contrastanti; il Terminator forza deliberatamente lo spegnimento del suo sistema corrotto, consentendo la fuga della coppia. Poco dopo la loro partenza, il sistema del Terminator si riavvia. Nel frattempo, il T-X sfugge all'acceleratore e riprende l'inseguimento.
Dopo che John e Kate raggiungono Crystal Peak, il T-X arriva in elicottero. Prima che possa attaccare, il Terminator arriva con un secondo elicottero e si schianta contro il T-X, schiacciandolo. Il T-X si estrae dai rottami, perdendo le gambe, e tenta di trascinarsi all'interno del bunker per seguire la coppia. Il Terminator tiene aperta la porta del bunker abbastanza a lungo da permettere alla coppia di chiudersi all'interno, poi usa la sua ultima cella a idrogeno per distruggere se stesso e il T-X.
John e Kate scoprono che Crystal Peak non è il nucleo di Skynet, ma piuttosto un rifugio antiatomico e una struttura di comando per funzionari governativi e militari. Non avendo un nucleo centrale, Skynet è diventato parte del cyberspazio dopo aver preso coscienza di sé. Il Giorno del Giudizio inizia quando Skynet lancia missili nucleari in tutto il mondo, dando inizio a un olocausto nucleare che uccide miliardi di persone. I due iniziano a ricevere trasmissioni radio sulle apparecchiature di emergenza; John assume provvisoriamente il comando rispondendo alle chiamate radio e i due accettano a malincuore il loro destino.