Colter Stevens (Jake Gyllenhaal) es un soldado que, formando parte de un programa experimental del gobierno para investigar un atentado terrorista, despierta la piel de un viajero temporal cuya misión es vivir y revivir una y otra vez el mismo atentado en un tren, en el que estalla una bomba, hasta que pueda averiguar quién es el culpable. Monaghan interpreta a una chica que viaja en el tren, y Farmiga será un oficial de comunicaciones que controlará a Gyllenhaal en su viaje por el tiempo.