Примерно через шесть месяцев после событий первого фильма Нео начинают сниться кошмары, в которых Тринити погибает. Тем временем экипаж “Навуходоносора” пополняется новыми членами, которых освобожденными Нео. В конце концов корабль возвращается на базу повстанцев, последний город человечества Зион. Там Нео узнает, что машины планируют осаду: 250 000 стражников роют туннели к Зиону, чтобы найти и подавить повстанцев.

Тем временем агент Смит, заклятый враг Нео, являющийся воплощение программы по защите Матрицы, потерпев поражение от Нео, получает возможность к саморепликации, то есть создает толпы своих клонов из людей и других программ, обитающих в симуляции. Кроме того, Смит попадает в реальный мир, загрузив свое сознание в тело одного из членов команд Избранного.

“Навуходоносор” срочно покидает Зион. В Матрице Нео снова встречается с Пифией, которая рассказывает ему, что для того, чтобы остановить нападение машин, ему нужно попасть к Главному Компьютеру. Для этого требуется сначала отыскать некоего Хранителя Ключей, охраняемого одной из старейших программ Матрицы под названием Меровинген.

В поисках Хранителя Нео предстоит встретить новых союзников и новых врагов, обрести новые силы и узнать шокирующую правду о Матрице, которая либо уничтожит человечество, либо подарит ему новую надежду.

По условиям контракта со студией сестры Вачовски должны были избегать интервью на все время работы над второй и третьей частями трилогии, чтобы исключить даже минимальную утечку какой-либо информации о сюжете саги.

Количество боевых сцен во втором фильме трилогии многократно возросло, так что на тренировки актеров ушло 8 месяцев, то есть в два раза больше, чем в предыдущей части.

Чтобы продюсеры картины выделили больше денег на спецэффекты, не опасаясь финансового провала, Киану Ривз отказался от своей доли с проката фильма, которая в итоге составила 38 миллионов долларов. Впрочем, стоимость самих спецэффектов в итоге составила 100 миллионов.

Съемки фильма велись на студии Fox Studios в Австралии. Сцены погони на автостраде и драка с клонами Смита были сняты на выведенной из эксплуатации военно-морской авиабазе. Около 97% материалов из комплектов пленки были переработаны после завершения производства; например, тонны древесины были отправлены в Мексику для строительства жилья для малоимущих.

Для сцены погони на взлетно-посадочных полосах базы была специально построена декорация трехполосного шоссе длиной в полторы мили, разрушенная после съемок. Они длились три месяца и обошлись создателям в 40 миллионов долларов, при этом сама сцена длится всего 17 минут.

Чтобы создать достаточно зрелищные и реалистичные спецэффекты, которые воплотили бы в жизнь видение сестер Вачовски,  Warner Bros. создали отдельную студию, ESC Entertainment. Основные сложности возникли при создании знаменитой сцены битвы Нео с сотнями репликантов агента Смита. Во время ее создания Джон Гаэта понял, что технологии, которые он применял для реализации буллет-тайма в предыдущем фильме, более неэффективны, и разработал принципиально новую технологию с использованием 3Д-камер. В итоге работа все равно заняла огромное количество времени и была проделана столь скрупулезно, что даже отражения на пальто Нео были тщательно оцифрованы.

Дон Дэвис, композитор первого фильма, вернулся к работе над второй частью. Для многих ключевых сцен он сотрудничал с группой Juno Reactor. Одна из совместных композиций, «Мона Лиза Овердрайв», названа в честь одноименного киберпанк-романа Уильяма Гибсона, оказавшего огромное влияние на сестер Вачовски.