קפטן קולטריין סטיבנס (ג'ייק ג'ילנהול) הוא חייל שנקלע לניסוי ממשלתי מתקדם שבו מוחו מוזרק לגופו של אדם אחר ששרד פיצוץ טרור ברכבת. במסגרת הניסוי, סטיבנס מתעורר שוב ושוב בתוך גופו של אותו אדם, חווה מחדש את רגעי הפיצוץ ומנסה לפענח מי עומד מאחורי הפיגוע. כל פעם שהוא חוזר אל הרכבת, הוא מקבל הזדמנות נוספת לאסוף מידע ולהבין את רצף האירועים שהובילו לפיצוץ, בתקווה למנוע פיגוע נוסף שעתיד להתרחש. במהלך המסעות החוזרים שלו בגוף האחר, הוא מתמודד עם המגבלות של הזמן והמציאות, כשהוא מנסה לשכנע את הסובבים אותו ואת עצמו שהמציאות שבה הוא נמצא היא רק חלק מניסוי מורכב.
סטיבנס מוצא את עצמו במאבק לא רק עם הטרוריסטים, אלא גם עם המערכת שמפעילה את הניסוי, כאשר הוא מנסה להבין את מטרותיה האמיתיות. הוא יוצר קשרים עם אנשים ברכבת ובחיים האמיתיים, ביניהם גם עם אישה בשם כריסטין (מישל מונהאן), שמסייעת לו לגלות את האמת ולשמור על שפיותו. ככל שסטיבנס מתעמק במערכת, הוא מגלה שכדי לעצור את הפיגוע הבא עליו לפעול במהירות ולהשתמש בכל המידע שצבר במהלך החזרות. הסרט מציג את המתח בין המציאות והדמיון, בין החיים למוות, ובין הרצון לשמור על עצמיות לבין ההקרבה למען טובת הכלל. קולטריין סטיבנס חייב למצוא את הדרך לעצור את הטרוריסטים לפני שהפיצוץ הבא יהפוך לאסון בלתי הפיך.
