El capità Colter Stevens (Jake Gyllenhaal), un soldat que forma part d'un programa experimental del govern per investigar un atemptat terrorista, desperta en la pell d'un viatger del temps la missió del qual és viure una i una altra vegada l'atemptat a un tren fins que aconsegueixi esbrinar qui és el culpable. Guiat per una oficial de comunicacions (Vora Farmiga) que controlarà a Stevens en el seu viatge a través del temps, al tren el jove coneixerà a una viatgera (Michelle Monaghan) amb la qual s'implicarà emocionalment.