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1편의 엔딩 크레딧과 함께 인류를 구원해야 하는 자신의 운명을 받아들이며 하늘로 날아오른 네오(키아누 리브스). 내일 이 전쟁이 끝난다면, 한번 싸워 볼만하지 않을까...? 목숨도 걸어 볼만 하지 않을까...? 모피어스(로렌스 피쉬번)와 트리니티(캐리-앤 모스)가 전에 자신에게 던졌던 질문을 스스로에게 던져보는 네오는 마침내, 중대한 결정을 내린다.

시온이 컴퓨터 군단에게 장악될 위기에 처하면서, 네오는 자신의 능력에 대한 더 큰 통제력을 갖게 된다. 이제 몇시간 후면 지구상에 남은 인류 최후의 보루인 시온이 인간 말살을 목적으로 프로그래밍 된 센티넬 무리에 의해 짓밟히게 될 터... 그러나 시온의 시민들은 오라클의 예언이 이루어져 전쟁이 끝날 것이라는 모피어스의 신념에 용기를 얻고, 네오에게 모든 희망과 기대를 걸어보기로 한다.

서로에 대한 사랑의 힘으로, 스스로에 대한 믿음으로 용기를 얻은 네오와 트리니티는 모피어스와 함께 인간을 억압하고 착취하는 시스템에 맞서기 위해 '매트릭스'로 돌아간다. 그리고, 수소문 끝에 매트릭스의 심장부로 그들을 안내할 '키메이커'의 행적을 찾아낸 트리니티와 모피어스. 하지만, '키메이커'는 신출귀몰한 악당 트윈스에게 철저하게 감시당하고 있다. 시스템에 대항하기 위해 '키메이커' 구출이라는 위험한 임무를 감행하는 세 사람.

한편, 에이전트 스미스(휴고 위빙)는 네오에 대한 불타는 복수심으로 시스템에 불복종하게 되고, 그 결과 삭제될 위기에 처한다. 이제 그는 도망자의 신세가 되어, 계속 네오를 추적한다. 한때 자신이 그토록 경멸했던 인간성을 어느새 자기 자신도 갖게된 스미스는 복수를 위해 수단 방법을 가리지 않는데...

'매트릭스'의 내부 구조로 깊이 들어갈수록, 그리고, 인류의 운명을 좌우할 자신의 역할에 눈 떠 갈수록, 네오는 더 큰 저항과 더 무서운 진실에 직면하게 된다. 그리고 상상할 수 없는 불가능에 가까운 선택을 강요 받는다. 사랑과 신념, 목적과 명분... 이 모든 것의 합류점에서 네오는 자신이 택한 길을 따라가야 한다. 그는 자문한다. '만약 내가 못해낸다면...?' '만약 실패한다면...?' 대답은 한가지 뿐이다. 시온이 멸망할 것이라는 것. 그리고 마침내... 인류의 운명을 건 필사의 전투가 시작된다!!