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 misión es vivir una y otra vez el atentado a un tren hasta que consiga 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 a través del tiempo.