Спустя 10 лет после событий предыдущего фильма будущий лидер сопротивления людей Джон Коннор тяжело переживает смерть Сары, своей матери, и находится в постоянном страхе возвращения Скайнета и начала новой войны. Он живет один в доме без электричества, сидит на таблетках и не имеет никаких средств к существованию.

Не имея возможности найти Коннора из-за его вынужденного отшельничества, Скайнет отправляет в прошлое новую модель терминатора, Т-Х,  чтобы устранить других будущих лидеров сопротивления и будущую жену Джона, Кэтрин Брюстер, тем самым обеспечив машинам победу в будущей войне с человечеством.

После убийства остальных целей Т-Х находит случайно встретившихся Кэтрин и Джона в ветеринарной клинике, где работает первая. Киборгу почти удается устранить их, но парочка сбегает с помощью перепрограммированного Т-800, Терминатора из первых двух частей франшизы. Теперь им предстоит вместе предотвратить очередной Судный день и снова спасти человечество от ядерного апокалипсиса.

Изначально режиссером третьей части должен был стать создатель первых двух фильмов, Джеймс Кэмерон, но внезапно студия, обладавшая правами на франшизу о Терминаторе, обанкротилась, и авторские права на нее ушли с молотка. Начались долгие переговоры об очередной экранизации, и в итоге Кэмерон, занятый на затянувшихся съемках  «Титаника», отказался от постановки, а место режиссера досталось Джонатану Мостоу.

«Терминатор 3» стал самым крупнобюджетным фильмов на момент своего выхода. При этом шестая часть бюджета, а именно 30 миллионов долларов, ушла на гонорар Арнольду Шварценеггеру. Потребовать такую огромную сумму ему посоветовал Джеймс Кэмерон, когда тот убеждал последнего самому взяться за постановку картины. В итоге из-за контракта со студией Шварценеггеру пришлось отказаться от участия в выборах на пост губернатора Калифорнии, хотя он специально ради них пожертвовал частью гонорара для того, чтобы съемки не перенесли в Канаду.

Во время подготовки к съемкам Шварценеггер занимался в зале ежедневно в течение полугода, чтобы вернуться к физической форме, в которой он находился во время съемок первых двух частей. «Я не хотел, чтобы все только и обсуждали, какой я обвисший и дряблый, поэтому начал работать еще больше», говорил он.

Все реплики Кристианны Локен, исполнительницы роли Т-Х, произносятся в первой трети фильма. Из-за такой немногословности персонажа ей пришлось учиться выражать себя с помощью мимики и жестов, для чего актриса брала уроки пантомимы.

Как и в предыдущих частях, терминатор прибывает после путешествия во времени абсолютно голым. Сцена прибытия Т-Х снималась в Родео Драйв, одном из самых популярных туристических центров Калифорнии, и съемочной группе пришлось ждать почти пять месяцев, пока поток туристов иссякнет, чтобы снять ее.

Персонаж Шварценеггера повторяет в течение фильма множество фраз из первых двух частей франшизы, кроме своей самой знаменитой — “I’ll be back” (я вернусь). Вместо этого он говорит “She’ll be back ” (она вернется) и  “I’m back” (я вернулся).

В фильме есть более шестисот кадров с применением спецэффектов. К примеру, в одной из сцен герой Шварценеггера изображен разрезающим свою грудную клетку, чтобы извлечь вышедшую из строя аккумуляторную батарею, одновременно управляя грузовиком. Для обработки этой сцены команда специалистов по компьютерной графике использовала кибер-сканирование, чтобы создать копию тела Шварценеггера, которая будет сидеть на водительском сиденье. Сам Шварценеггер находился в задней части грузовика, и его голова и руки были видны на переднем сиденье, что в комплексе создавало впечатление, что это его тело находится в кресле.