En raison de bombardements de neutrinos dus à une éruption solaire, le noyau de la Terre commence à chauffer à un rythme inconnu jusqu'alors, causant en fin de compte des déplacements de la croûte terrestre avant décembre 2012, tel que cela avait été prévu. Il s'ensuit un scénario de fin du monde qui plonge l'humanité dans le chaos. Le film suit un groupe de personnages alors qu'ils échappent de justesse à d'innombrables catastrophes. En même temps, des savants et des dirigeants du monde tentent de sauver le plus de vies possible avant l'arrivée des désastres.
Néo parvient à mieux contrôler ses dons et pouvoirs naturels. Cependant, le temps presse : Sion va être attaquée par 250 000 sentinelles robotiques, programmées pour anéantir les derniers humains.
Dix ans ont suffi à la grippe simienne pour décimer une grande partie de l'humanité. Dans les ruines de San Francisco, un groupe de survivants tente de rétablir le contact avec le monde extérieur. Il leur faut pour cela avoir accès à un barrage hydroélectrique, au cœur de la vallée environnante, territoire des singes. Ces derniers, guidés par César, se méfient des hommes. Le fragile équilibre est perturbé et la peur mène inévitablement les deux camps à s'affronter. Parmi les singes, Koba, ivre de vengeance envers les humains, va tout faire pour que l'affrontement entre les singes et les humains commence.
District 12, dans une Amérique post-apocalyptique nommée « Panem ». Primrose Everdeen, 12 ans, se réveille d'un cauchemar dans les bras de sa sœur ainée Katniss. Plus tard, cette dernière rejoint son ami Gale pour une chasse en forêt. C'est bientôt l'heure de la moisson, un tirage au sort destiné à un jeu télévisé sadique nommé les « Hunger Games », créé par le Capitole afin de rappeler sa toute-puissance sur les douze districts qu'il contrôle à la suite d'une période de troubles internes datant de plusieurs décennies. Chaque année, une fille et un garçon entre 12 et 18 ans sont ainsi choisis dans chacun des douze districts pour combattre à mort dans une arène. Un seul survivra. Lors du tirage, le cauchemar de Primrose se réalise : elle vient d'être tirée au sort pour cette 74e édition par l'excentrique présentatrice Effie Trinket. La sachant condamnée d'avance, Katniss se porte alors volontaire pour prendre sa place. L'autre adolescent désigné est Peeta Mellark, le fils du boulanger. Katniss fait ses adieux à sa sœur et sa mère et demande à Gale de s'occuper d'elles.
En 2009, le docteur Alice Krippin trouve ce qui semblerait être un vaccin contre le cancer parfaitement efficace. Cependant, la joie est de courte durée, car, à la suite d'une erreur humaine, le vaccin, en réalité corrompu, quitte le lieu clos du laboratoire et se diffuse sur la Terre (pandémie), tuant les humains les moins résistants et faisant muter les autres, les transformant en "infectés". L'évacuation des survivants est un échec, personne ne trouvant de remède au nouveau virus qui décime l'humanité.
Le paléoclimatologue Jack Hall (Dennis Quaid) et ses deux collègues effectuent une mission scientifique de routine en Antarctique : le forage de carottes de glace. Cependant, le plateau de glace se détache soudain du reste du continent.
Au début du XXII siècle, la compagnie Buy-N-Large monopolise l'économie de la Terre par un trust concernant les biens et les services. Il est devenu un gouvernement mondial globalisé. La surconsommation effrénée a tôt fait de transformer le monde en un dépotoir gigantesque. La société commandite un exode massif à bord de vaisseaux spatiaux dans une tentative de préserver l'Humanité. Des milliers de machines robotiques dénommées WALL-E (Waste Allocation Load Lifter-Earthclass) ont été fabriquées par la compagnie. Ces engins ont pour unique tache de « nettoyer » la Terre en compactant la myriade de détritus qui parsèment le sol, durant les cinq années que doit durer l'exode. Mais beaucoup d'entre eux se désactivent inexplicablement et sont hors-services, forçant les humains qui n'ont pas d'autres plans de replis à rester dans l'espace.
Au lendemain de l'holocauste nucléaire du 29 août 1997, les survivants humains entrent en résistance contre la dictature des « machines » (des robots intelligents), ce qui les mène à la victoire en 2029.
Deux ans après avoir affronté les humains et Koba, César et les singes vivent reculés dans une forêt. Leur avant-poste est alors attaqué par une unité militaire pratiquement annihilée dans l'assaut et qui subit une défaite totale, rapportée par radio à leur commandant le colonel McCullough. Selon les dires d'un survivant fait prisonnier et présenté à César, cet homme sanguinaire cherche à tout prix à retrouver César pour installer la domination des hommes sur les primates : bien que ça ne fasse pas l'unanimité, César choisit d'épargner les soldats survivants et de les lui renvoyer avec un message de laisser tomber afin de clarifier les circonstances ayant amené cette situation et prévenir une montée vaine des conflits. Plus tard alors qu'ils s'occupent de leurs morts et blessés, César vient accueillir son fils aîné Yeux-Bleus et Rocket, qui reviennent d'une expédition prolongée et ont apparemment enfin trouvé la terre promise des singes, à des mois de marche de là. Le soir même, après des discussions houleuses sur la suite des événements et la crainte exprimée par Winter, un gorille albinos, la décision est prise de s'y rendre. Mais après l'échec de ses soldats, le colonel McCullough se déplace en personne avec un commando dans le refuge de César afin de le tuer. Il tue le fils aîné de César par méprise ainsi que sa compagne, Cornelia, épargnant sans le savoir leur enfant cadet, Cornelius qui s'était caché. César qui arrive juste avant son départ et constate leur mort, tente de se venger pour son acte mais échoue de peu. Tandis que la colonie a débuté son trajet vers leur futur foyer, César confie alors Cornelius à Lake, la compagne de feu son fils aîné, puis quitte les siens à leur grande surprise pour se lancer seul à la poursuite de McCullough, assoiffé de vengeance. Il est toutefois vite rattrapé et épaulé par ses plus proches amis l’orang-outan Maurice, le chimpanzé Rocket (dont le fils Ash, meilleur ami de Yeux-Bleus, fut également tué, par Koba en son temps) et le gorille Luca.
À San Francisco, le scientifique Will Rodman (James Franco) tente de développer un remède contre la maladie d'Alzheimer dans les laboratoires de la compagnie Gen-Sys. Son propre père Charles (John Lithgow) est atteint par la maladie. Son équipe inocule un rétrovirus, l'ALZ-112, à des cobayes chimpanzés capturés en Afrique, qui voient rapidement leurs facultés cognitives augmenter. Lors de la présentation de ce produit novateur, le principal sujet des tests, une femelle chimpanzé nommée « Beaux Yeux » (en raison de ses yeux verts suite à l'administration du rétrovirus), s'évade et sème la panique. Elle est finalement abattue dans la salle de réunion, sous les yeux horrifiés du conseil. Le directeur Steven Jacobs (David Oyelowo) ordonne à Franklin (Tyler Labine), le collègue de Will, d'euthanasier les douze autres primates, pensant que le rétrovirus est la cause de son comportement. Will et Franklin découvrent toutefois que « Beaux Yeux » avait mis bas dans sa propre cage, ce qui veut dire qu'elle était enceinte lorsqu'elle a été capturée, et qu'elle cherchait simplement à protéger son petit. À l'insu de Jacobs, Will recueille le bébé dans son propre foyer.
Thomas A. Anderson (Keanu Reeves), un jeune informaticien connu dans le monde du hacking sous le pseudonyme de Neo, est contacté via son ordinateur par ce qu’il pense être un groupe de hackers. Ils lui font découvrir que le monde dans lequel il vit n’est qu’un monde virtuel dans lequel les êtres humains sont gardés inconsciemment sous contrôle.
En 2029, John Connor, chef de la résistance humaine, mène la guerre contre les machines dans un monde ravagé à la suite d'une offensive nucléaire lancée par un programme de défense militaire, Skynet, le 29 août 1997. En pleine offensive de Los Angeles, John a des craintes quant à l'avenir, quand des espions TECOM révèlent un nouveau plan de Skynet : il prévoit de l'attaquer sur deux fronts, le passé et l'avenir, afin de changer définitivement l'issue du conflit.
John Connor, jeune adulte, n'est pas convaincu d'être débarrassé de la menace de Skynet et ne veut pas de son destin. Alors, il fuit continuellement, vivant de petits boulots, et sans aucun moyen pour le localiser (ni maison, ni téléphone, ni carte de crédit). Le Jugement Dernier ne s'est pas déroulé à la date prévue.
C'est une guerre sans issue qui attend les derniers survivants humains retranchés de Sion, cité-État de la résistance, maintenue par l'armée des Machines.
L'an 2563, 300 ans après que la Terre a connu une catastrophe appelée "l'effondrement" consécutive à une guerre contre Mars. Dans la ville d'Iron City infestée par le crime, le Dr Dyson Ido, médecin spécialisé dans les augmentations biomécaniques, cherche des pièces détachées dans une décharge à ciel ouvert venant de Zalem, dernière cité céleste de la planète, surplombant Iron City, et où chacun rêve d'aller. Ido trouve le corps d'une cyborg en piteux état. Il va alors la ramener dans sa clinique pour la réparer. La jeune cyborg se réveille, réparée mais amnésique. Le docteur Ido la rebaptise Alita (du prénom de sa fille décédée) et lui fait découvrir le monde dans lequel ils survivent. Mais Alita se découvre des réflexes combatifs et une force surhumaine, veut toujours en savoir plus et aller plus loin. Elle fait la connaissance d'Hugo, un jeune revendeur de pièces détachées auquel elle se lie rapidement. Alita va tenter de comprendre qui elle est réellement et d'où elle vient. Elle croise la route du terrible Vector, qui contrôle les matches du sport ultra-populaire de la ville, le Motorball.