Der Film beginnt damit, dass Polizisten versuchen, eine junge Frau festzunehmen. Sie kann jedoch durch scheinbar übernatürliche Kräfte – extrem schnelle Kampfbewegungen – entkommen. Bei ihrer Flucht wird sie von mit der Polizei zusammenarbeitenden „Agenten“ in grauen Anzügen verfolgt, die ähnliche Fähigkeiten wie sie haben. Die Frau flüchtet in eine Telefonzelle, die einen Moment später von einem Agenten mit einem Lkw zerquetscht wird. Sie ist jedoch nicht in den Trümmern zu finden.

An einem eiskalten, windigen Tag im Winter 1959 kommt Vianne Rocher mit ihrer Tochter Anouk im verschlafenen Provinzstädtchen Lansquenet-sous-Tannes zwischen Toulouse und Bordeaux an. Vianne ist eine Ruhelose, die mit dem Wind zieht und sich von ihrer verstorbenen Mutter Chiza leiten lässt, die einst als Nomadin in Mexiko gelebt und ihrer Tochter die Geheimnisse der Schokoladenzubereitung anvertraut hat. In dem Provinzstädtchen mietet Vianne eine leerstehende ehemalige Pâtisserie von der alten Dame Armande und baut sie in eine Chocolaterie um. Zudem eröffnet sie ihren Laden während der christlichen Fastenzeit – sehr zum Missfallen des bigotten Bürgermeisters Comte de Reynaud, der die Geschicke der Stadt mit konservativer, harter Hand leitet und selbst die Predigttexte des jungen Pfarrers vor ihrer Verkündigung noch sichtet und in seinem Geiste abändert.

Der Film beginnt mit einer Farbszene, in der man sieht, wie Leonard Teddy erschießt und dann ein Foto von der Leiche macht. Als Leonard das komplett entwickelte Polaroid in der Hand schüttelt, löst es sich langsam zu einem leeren Fotopapier auf (zu Beginn der Credits sieht man ein Polaroid, auf dem ein Mann, dem in den Kopf geschossen wurde, abgebildet ist), da diese spezielle Szene rückwärts abläuft. Der Film springt dann zum chronologischen Beginn der Geschichte – eine Schwarzweiß-Szene, in der Leonard in einem Motel aufwacht und ein Telefongespräch mit einem unbekannten Anrufer führt. Leonard erzählt dem Anrufer die Geschichte von Sammy Jankis. Sammy litt an anterograder Amnesie, wodurch er keine neuen Erinnerungen mehr speichern konnte. Zu dieser Zeit war Leonard Ermittler für Versicherungsbetrug, dessen Aufgabe es war herauszufinden, ob Sammys Zustand einer physischen Verletzung entsprang und somit von seiner Versicherung abgedeckt war.

Die Handlung beginnt kurze Zeit nach dem Ende des ersten Films. Neo, der sich nun seiner Kräfte bewusst ist, zweifelt immer noch daran, der Auserwählte zu sein. Derweil bereiten sich die Maschinen darauf vor, Zion, die Stadt der Menschen, einzunehmen. Im weiteren Verlauf der Geschichte begibt sich die Besatzung der Nebukadnezar auf den Weg nach Zion, um die dortige Bevölkerung auf den bevorstehenden Krieg einzuschwören und um den Ältestenrat von einer Gegeninitiative zu überzeugen. Gegen den Willen des obersten Zuständigen für die Verteidigung von Zion, Commander Lock, bekommt Morpheus die Erlaubnis des Ältestenrates für seine Gegeninitiative. Ihm schließen sich die Mannschaften zweier weiterer Schiffe an. Die Handlung splittet sich hier in zwei Stränge, wobei einer innerhalb der Matrix spielt und einer in der realen Welt.

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.