El capitán Colter Stevens (Gyllenhaal), que participa en un programa experimental del gobierno para investigar un atentado terrorista, se despierta en la piel de un viajero del tiempo cuya misión es vivir una y otra vez el atentado a un tren hasta que consiga averiguar quién es el culpable. Una oficial de comunicaciones (Farmiga) guiará a Stevens en su viaje a través del tiempo. En el tren el joven conoce a una viajera (Monaghan) por la que se sentirá atraído.