接續前作片尾的劇情，已被保護傘公司操控的吉兒·范倫廷帶領公司所有的特種部隊進攻了艾莉絲等人所在的「阿卡迪亞號」，也殺死了船上大部分的倖存者，而艾莉絲盡全力去反抗，但卻被一架墜毀的直升機震入大海。

溘然艾莉絲睜大眼睛。有位有著艾莉絲樣貌的家庭主婦在早上醒來。她的丈夫擁有昔日已死的卡洛斯·奧利維拉的樣貌，且共同擁有一個女兒貝琪，他們過著正常的生活。有天一群嗜血感染者突然進入他的家且當場吃掉卡洛斯，而艾莉絲將貝琪救出房子後竟然又遇到一樣擁有昔日已死的蕾恩的樣貌的市民，當蕾恩將艾莉絲和貝琪救出後，因遇到車禍而昏迷不醒。艾莉絲與貝琪只好進入房子躲避，當艾莉絲藏好貝琪後打算與感染者拼命，但卻被變成感染者的卡洛斯攻擊致死。

艾莉絲本尊醒來後，發現自己在保護傘的正八面體長型淨白空間內，而在舉頭幾尺之上審問她的人是心智已被控制的吉兒。吉兒只是機器式質問她為誰效力，而艾莉絲卻急切地想知道克里斯與克蕾兒的下落，便被處以高頻音的懲罰。但過了不久，基地主電腦遭人入侵，而艾莉絲也逃出並換上防壁彈出抽屜內的護甲。當艾莉絲逃出走廊後竟然發現自己來到了東京澀谷，而為了追捕艾莉絲的Red Queen亦啟動模擬程式和吉兒領頭的安全小組追緝。街頭上逐漸出現普通市民，其中包括日本的第一名感染者。因數量之多艾莉絲跑進前方開啟的走廊，在與感染者搏鬥後，更多的感染者蜂擁而至，另一頭走廊大門敞開，艾莉絲別無選擇地衝進去。地板出現保護傘公司標誌，霎時四面升上躺滿血跡的控制台，控制室的人員都以一槍正中額頭身亡。

艾莉絲在控制室裏獲得了更多的槍械，並跟前任保護傘公司女特工艾妲·王碰面，倖存的亞伯·威斯卡也通過顯示屏告訴了艾莉絲他需要她，同時也派了以里昂·甘乃迪為首的援救部隊（包括在洛杉磯倖存的盧瑟），以掃清基地的障礙而與艾莉絲接應，也設計了兩小時爆炸的定時炸彈來摧毀基地。

威斯卡向艾莉絲說明此基地是保護傘公司位於西伯利亞分部的巨大試驗場，保護傘在冰層底下打造了數座擬真的城市場景，並在城市中放入大量的複製人，用來模擬T病毒疫情爆發時各個城市的情況。片場和所有特種部隊（包括吉兒）也由當初控制「大本營」的人工智慧電腦「紅后」控制，此時吉兒與部隊攻進控制室，但也發現艾莉絲與艾妲早已逃脫。當艾莉絲與艾妲來到美國紐約試驗場後遭到兩只曾經在洛杉磯出現的「巨斧神」的攻擊，雖然兩人安然逃離，但里昂等人來到莫斯科試驗場後，卻遭到紅后所派出的蘇聯感染者軍團的攻擊。

艾莉絲與艾妲來到郊區試驗場，而在房子裏發現了已死的艾莉絲複製人（家庭主婦），而艾妲也向艾莉絲說明：保護傘公司利用由已死的艾薩克斯研發的人體DNA培育出複製體來增加試驗場的人口（一次試驗會死幾百個人），也會對複製體植入基本記憶（讓他們做出人體正常反應），但也有時會讓複製體成爲基地的特種部隊隊員。此時躲在房子裏的貝琪與艾莉絲相遇，貝琪把艾莉絲誤看成當時的母親，而艾莉絲在接受沉重打擊後接納了她。

艾莉絲等人準備好東西後出門，但卻在門口遇到吉兒的部隊，而艾莉絲發現部隊的人是複製人卡洛斯、複製人蕾恩以及曾在大本營裏被削成碎片的複製人詹姆士，艾妲爲了掩護艾莉絲與貝琪逃離而被部隊截獲，而艾莉絲與貝琪在莫斯科試驗場的地鐵站遇到逃離的複製人蕾恩（普通市民）。此時，里昂的部隊被困在莫斯科試驗場，出去後遇到變種生物「舔食者」，但在艾莉絲的幫助下逃離回地鐵站，與貝琪相遇後穿越試驗場地底來到出口電梯，但貝琪卻被趕過來的舔食者抓走，而蕾恩被它當場打死，盧瑟與等人掩護艾莉絲離開後對付追過來的特種部隊，但巴瑞爲了幫助被蕾恩（部隊複製人）挾持的艾妲而被當場打死。

艾莉絲將貝琪救出後來到基地的複製體中心，而貝琪看到大量的艾莉絲複製體後開始崩潰，甚至開始懷疑眼前的艾莉絲不是自己的母親，但艾莉絲對她堅定地告訴她「我現在是」後利用艾妲的繩索槍逃出。里昂與盧瑟啓動電梯時發現炸彈時間已到，而炸彈爆炸後摧毀了基地所有的試驗場，而吉兒、蕾恩與艾妲發現後立刻逃離，而卡洛斯及其他部隊全部被洪水淹沒，盧瑟搭電梯上去後與逃離的艾莉絲和貝琪相遇，上去後立刻開著雪車離開。

眾人來到結冰的大海平面後被搭潛水艇逃離的吉兒與蕾恩趕上，而吉兒命令蕾恩向自己身體打入控制僵屍的寄生蟲後變成不死之身，而艾莉絲與吉兒打鬥，艾莉絲不堪負荷倒地，在Red Queen的命令下，吉兒準備抹煞掉艾莉絲。艾莉絲被掐住脖子離地高舉，就在被吉兒強抵頭部進身後迅速滾動的履帶時，她會意到吉兒胸前的機械心智控制蜘蛛，遂孤注一擲地將它摘下。機械心智控制蜘蛛敏捷地爬起撲向艾莉絲，而艾莉絲拾起打鬥中的機槍，擊碎了它的右側兩腳。心智控制蜘蛛率落地面，在艾莉絲的掃射下射穿主機板而失去運作。

吉兒往後倒去，不停地大口呼吸著空氣。而此時蕾恩打盧瑟時將盧瑟的肋骨開放性骨折刺進心臟，里昂亦被打成重傷。吉兒及時恢復意識將槍扔給艾莉絲，而蕾恩得意洋洋地站在冰層上，但艾莉絲將蕾恩腳底的冰層打碎，使得蕾恩掉入冰河後被從基地游出的感染者拖下去（被吃掉或凍死）。里昂清醒後救了昏迷的艾妲，但艾莉絲也因爲受傷嚴重而昏迷。

當艾莉絲再度醒來時，發現自己已經在直升機上，而貝琪、里昂、艾妲以及恢復的吉兒坐在自己面前。眾人之後到達美國華府白宮，艾莉絲在橢圓辦公室見到威斯卡，但威斯卡卻將T病毒再度打入艾莉絲的身體，說明他現在需要以前的她。因為紅后已經失控了，並決定殺死地球上所有的生物，也爲她展示一個被複製人、病毒與感染者征服的世界！此時在白宮圍牆之外，世界已陷入一片火海。