El capitan Colter Stevens - Jake Gyllenhaal un soldado que forma parte de un programa experimental del gobierno para investigar un atentado terrorista despierta en la piel de un viajero del tiempo cuya mision es vivir una y otra vez el atentado a un tren hasta que consiga averiguar quien es el culpable. Guiado por una oficial de comunicaciones - Vera Farmiga que controlara a Stevens en su viaje a traves del tiempo en el tren el joven conocera a una viajera - Monaghan con la que se implicara emocionalmente.