O capitán Colter Stevens (Jake Gyllenhaal), un soldado que forma parte dun programa experimental do goberno dos Estados Unidos para investigar un atentado terrorista, esperta na pel dun viaxeiro do tempo cuxa misión é vivir unha e outra vez o atentado dun tren ata que consiga descubrir quen é o culpable. Guiado por unha oficial de comunicacións (Vera Farmiga) que controlará a Stevens na súa viaxe a través do tempo, no tren o xove coñecerá a unha viaxeira (Michelle Monaghan) coa que se implicará sentimentalmente.
