Colter (Jake Gyllenhaal) è un soldato che fa parte di un programma governativo sperimentale per le investigazioni su un attacco terroristico. Si trova quindi costretto a vivere e rivivere, attraverso la tecnologia, la tragedia di un treno fatto esplodere da una bomba fino a che non riesce ad individuare gli attentatori. Ad aiutarlo nel suo viaggio attraverso il tempo e lo spazio ci sarà un ufficiale di collegamento (Vera Farmiga), mentre sul treno verrà supportato e s’innamorerà di una ragazza (Michelle Monaghan).