Прошло шесть месяцев после событий первого фильма. Машины начинают масштабную атаку на Зион — последний город человечества. У людей есть всего 72 часа, прежде чем армия Сентинелов (охотников) пробьётся к ядру города и уничтожит его. Все надежды людей связаны с Нео.
В реальном мире Нео мучают кошмары о гибели его возлюбленной Тринити. Он посещает Пифию, чтобы узнать свою судьбу. Она говорит ему, что он должен найти Ключника — программу в Матрице, обладающую ключами ко всем дверям. Без него Зион падёт.
Нео, Тринити и Морфеус отправляются в Матрицу на поиски Ключника. По пути они сталкиваются с новыми, более сильными Агентами. Во время погони на шоссе происходит одна из самых знаковых сцен фильма — масштабная битва на скорости.
Встретившись с Ключником (странным существом с ключами), герои узнают, что он служит Меровингену — древней и могущественной программе, которая олицетворяет причинность и отрицает выбор. Меровинген отказывается помочь и держит в плену другую программу, Персефону.
Персефона, желая отомстить мужу за измену, помогает героям. Она целует Нео (что вызывает ревность Тринити) и проводит их к Ключнику. Ключник объясняет Нео, что его задача — поддерживать баланс системы, и что путь Истинного Избранного лежит через определённую дверь.
Нео пробуждается в реальном мире, но его сигнал в Матрице глушат. Он встречает Архитектора — создателя Матрицы. Архитектор раскрывает шокирующую правду: Матрица уже перезагружалась пять раз.
Нео — не первый Избранный. В каждой версии Матрицы существовала аномалия (люди, не принимающие программу), и для контроля над системой была создана концепция «Избранного». Его задача — вернуться к Источнику (ядру системы) и перезагрузить Матрицу, выбрав 23 человека (16 женщин и 7 мужчин) для восстановления Зиона.
Однако Нео отказывается следовать этому пути. Он не хочет спасать мир ценой жизни Тринити. Он выбирает вернуться в Матрицу, чтобы спасти её, нарушая тем самым цикл системы.
Нео находит Тринити, которую смертельно ранили в перестрелке. Вопреки законам реального мира, он входит в Матрицу изнутри (извне), используя свои силы, чтобы вытащить из неё пулю и перезапустить сердце Тринити. Она оживает.
В реальном мире «Логос» (корабль героев) врезается в Зион. Герои выживают, но оказываются в безвыходной ситуации: на них нападают тысячи Сентинелов. Нео понимает, что его силы действуют не только в Матрице. Он останавливает машины силой мысли, но теряет сознание и впадает в кому.
Фильм заканчивается тем, что Нео и тела других людей, подключённых к Матрице, находятся в странном пространстве между мирами — на вокзале Mobil Avenue, который охраняют программы Семьянин и Танк.
«Перезагрузка» углубляет мифологию мира, показывая, что борьба за свободу гораздо сложнее, чем казалось вначале, а судьба Нео — лишь часть большого плана машин.