故事承接《黑客帝国》三部曲，失忆的尼奥以游戏设计师托马斯・安德森的身份生活在新一代矩阵中，被强烈的既视感与梦境困扰，分不清现实与虚幻。特工布格斯与新版墨菲斯找到他，揭露矩阵是机器控制人类的虚拟世界、人类已迁至新城市艾欧的真相，并唤醒尼奥记忆。尼奥决心重返矩阵，营救同样失忆的挚爱崔妮蒂，两人携手对抗更强大、危险的矩阵系统，在虚实交织中再次做出关乎世界与自我的抉择。