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.

Der Arzt Dr. Lawrence Gordon und der Fotograf Adam Stanheight wachen in einem heruntergekommenen Waschraum auf. Sie sind in gegenüberliegenden Ecken festgekettet. Zwischen ihnen liegt ein blutüberströmter Mann, der sich anscheinend erschossen hat. Beide können sich zunächst nicht erklären, wie sie in diese Situation geraten sind. Sie finden jedoch nach und nach Hinweise, die ihnen einen möglichen Ausweg aufzeigen. Zudem kommt allmählich ihr Erinnerungsvermögen zurück. Dem Zuschauer wird dabei die Situation in Rückblenden erläutert.

Der Film beginnt im alten, zerfallenen Badezimmer, wo Detective Eric Matthews am Ende des zweiten Teils eingesperrt und angekettet worden ist. Der einzige Weg, sich zu befreien, wäre, sich wie ein früheres Opfer in dem Raum seinen Fuß abzusägen, um den Fesseln zu entkommen. Das bringt er aber nicht fertig. Er zertrümmert sich stattdessen seinen Fuß mit dem Deckel des Spülkastens der Toilette, bricht ihn sich noch einmal und kann so seinen Fuß aus der Fessel befreien. Dann humpelt er Amanda hinterher, die ihn in dem Badezimmer eingesperrt hatte. Er versucht sie in einem brutalen Kampf zu überwältigen, schafft es aber nicht und bleibt im Gang liegen, wobei es nicht ersichtlich ist, ob er letztendlich stirbt oder nicht.

In Maine rettet der Leuchtturmwärter Thomas Curry während eines Sturms Atlanna, die Prinzessin der Unterwassernation Atlantis. Die beiden verlieben sich schließlich und haben einen Sohn, Arthur, der mit der Kraft geboren wird, mit Meereslebewesen zu kommunizieren und besonders schnell zu schwimmen. Atlanna ist gezwungen, ihre Familie aufzugeben und nach Atlantis zurückzukehren. Sie vertraut ihrem treuen Berater Nuidis Vulko die Aufgabe an, Arthur auszubilden. Unter Vulkos Führung wird Arthur ein geschickter Krieger, von den Atlantern wird er jedoch als Mischling abgelehnt.