Colter Stevens (Jake Gyllenhaal) es un soldado americano con el que el gobierno de los Estados Unidos está haciendo un experimento. Éste viaja a través del tiempo, durante ocho minutos, y se convierte en un viajero de un tren en el que ha explotado una bomba. Tiene todas las oportunidades que necesite para descubrir quién es el responsable del atentado terrorista. Durante esos viajes, Colter conoce a una viajera de la que se enamorará (Michelle Monaghan). La encargada de guiar a Colter a través de sus viajes por el tiempo será una experta oficial en comunicaciones (Vera Farmiga) que se dará cuenta de que el experimento en el que está trabajando no es lo que parecía.