故事发生在上一作的20年之后，此时的简（艾米莉·莫迪默 Emily Mortimer 饰）与迈克尔（本·威士肖 Ben Whishaw 饰）已经长大成人，两人都经历了人生的种种酸甜苦辣。妻子过世之后，迈克尔肩负起了养家和照顾孩子的职责，无奈安娜贝尔（皮格茜·戴维斯 Pixie Davies 饰）、约翰（纳撒内尔·萨利赫 Nathanael Saleh 饰）和乔治（乔尔·道森 Joel Dawson 饰）都颇有他们老爹当年的风范，调皮的可怕，令迈克尔一想起来就头皮发麻，只得召唤姐姐简前来帮忙。　　某日，孩子们在公园玩耍，一阵大风带来了从天而降的魔法保姆玛丽（艾米莉·布朗特 Emily Blunt 饰） ，她的回归给这个岌岌可危的家庭带来了新的希望。

在围剿斯克鲁人的战斗中，克里人星际战队成员弗斯（布丽·拉尔森 Brie Larson 饰）不幸成为对方的俘虏。斯克鲁人尝试探究弗斯的记忆，最终发现连弗斯本人都不知道的一段往事，进而也得知名为温迪?劳森博士的女子掌握着他们急于得到的时空引擎。趁对方不备，拥有强大超能力的弗斯摆脱束缚，逃到了代号为C-53的地球，而这里也正是她那段失落的记忆的发生地。未过多久，神盾局探员弗瑞特工（塞缪尔·杰克逊 Samuel L. Jackson 饰）找上门来，而紧随其后的斯克鲁人更是引发了地球人前所未见的大骚动。 　　在这一过程中，弗瑞特工意识到事态的严重性，并且帮助弗斯认清本来的自己。倔强的弗斯，终于找到了真正需要保护的东西……

上一部结尾，尼奥（基奴李维斯 饰）终于意识到自己的能力和使命，中弹复活后，变成了无所不能的“救世主”，他和女友崔妮蒂（凯莉·安·摩丝 饰），舰长墨菲斯（劳伦斯·菲什伯恩 饰）回到了人类的基地锡安，受到人们的热烈欢迎。 　　此时，“母体”决定先下手为强，派出了两万五千只电子乌贼攻击锡安基地；墨菲斯、尼奥和崔妮蒂则再次进入“母体”，寻找“制钥者”，准备从内部破坏；而本该被尼奥消灭的特勤史密斯似乎出了点问题，脱离了“母体”的控制，拥有可怕的复制能力，阻碍尼奥他们的行动。

第二集中，尼奥（基努·里维斯 Keanu Reeves 饰）没有能从内部摧毁“母体”，他的身体在真实世界的飞船上陷于昏迷，思想却被困在介于“母体”和真实世界的中间地带，这个地方由“火车人”控制。墨菲斯（劳伦斯·菲什伯恩 Laurence Fishburne 饰）和崔妮蒂（凯瑞-安·莫斯 Carrie-Anne Moss 饰）等人知道了尼奥的情况，在守护天使的带领下， 找到了“火车人”的控制者梅罗纹奇，经过一番激斗，将尼奥救了出来。 　　此时，电子乌贼部队对锡安发起了猛烈的攻击，人类组织所有机甲战士展开顽强的抵抗，形势危在旦夕；尼奥和崔妮蒂驾驶了一艘飞船克服重重困难，到达机器城市，尼奥终于见到了机器世界的统治者“机器大帝”，双方谈判并达成了协议：尼奥除掉不受“母体”控制的史密斯，以换取锡安的和平。 　　在“母体”中，尼奥和史密斯展开了关系人类生死存亡的最后决斗...

渐渐习惯了现代生活的美国队长史蒂夫·罗杰斯（克里斯·埃文斯 Chris Evans 饰），在一次行动后隐隐嗅到神盾局内部所弥漫出来的凶险气味。而当得知神盾局正秘密进行的“洞察计划”后，他更为此感到愤怒。某天，神盾局指挥官尼克-法瑞（塞缪尔·杰克逊 Samuel L. Jackson 饰）遭到一群武装分子袭击，他拼尽全力将一支U盘交到美国队长手中，这里面藏着该局二战以来最重要且最可怕的秘密。在此之后，美国队长因涉嫌杀害尼克而遭到前局长亚历山大·皮尔斯（罗伯特·雷德福/Robert Redford 饰）的通缉和追杀，逃亡中他得到黑寡妇（斯嘉丽·约翰逊 Scarlett Johansson 饰）和退伍老兵“猎鹰”（安东尼·麦凯 Anthony Mackie 饰）的帮助。 　　他们必须争分夺秒解开神盾局的秘密，阻止“洞察计划”的施行……