故事从 1991 年的海湾战争讲起，男主杰克在战斗时看到一个平民小男孩。当他走近想表达友好时，对方却举枪扣动了扳机。头部受创的杰克最终活了下来，但也因此患上了逆行性失忆症。1992 年，他被连队授予功勋奖章后退伍，并一个人踏上了前往老家佛蒙特州的路。
不久后遇到一辆抛锚的汽车，上前询问情况，得知小女孩名叫安娜。由于她的母亲因为醉酒而变得神志不清，杰克将自己的围巾给了小女孩，并安慰她会帮忙渡过难关。随后在修理车子时，小女孩对背包上的兵级号码牌产生了兴趣，她询问杰克是否可以送给自己，杰克没有犹豫，当即答应了。这时的母亲摇摇晃晃醒了过来，车子也同时修好了，小女孩开心地拥抱杰克，表示感谢。
这一幕被刚醒来的母亲看到，她认为眼前的陌生人正在图谋不轨，然后不顾一切地冲过来阻止。善良的杰克没有解释，自认倒霉，继续上路。伴随着不断飘落的雪花，杰克不知不觉走了很长时间。这时有一辆汽车缓缓驶来，杰克连忙招手请求搭乘。索幸这次的司机是个好心人，坐上车子后，两人侃侃而谈，言语间充满了友好和善。不久后，他们被一辆警车拦下来，紧接着发生的事让杰克陷入昏迷，等到杰克醒来，他被抓到法庭作为被告，原来拦路的警察被人击杀身亡，而现场只有晕倒的杰克以及地上的手枪。种种迹象表明，杰克就是杀害警察的凶手，而他也被警察攻击后晕倒。因为杰克患有逆行性失忆症，他只记得遇到安娜母女的片段，剩下的记忆已经全部消失。鉴于杰克的病史和现场的证据，法庭最终宣判他无罪，但是必须将其送到精神病院接受强制治疗。当天夜里，杰克被送到一家名为阿尔葛罗夫的精神病院。就这样，满身功勋的战士尚未到家，却被判为精神病人住进了医院。昏暗的房间以及压抑的环境让杰克随遇而安地适应下来。本以为只是配合医院吃点药而已，然而接下来发生的事却让人瞠目结舌。
该医院的院长正在进行一项秘密实验，他们将新来的病人的嘴巴封住，然后注射高强度镇静剂，之后带到英森的停尸房，并给他穿上一套紧身加客服。做完这一切后，院长会撕开病人的嘴巴，告知这是一种幽闭式精神疗法，目的是为了减轻病人的暴力倾向。可怜的杰克还没明白怎么回事，就被无情地推到了停尸房内。
医生和护工随后扬长而去，留下的杰克只能在黑暗中惊恐哀嚎。随着时间的推移，杰克的注意力逐渐变得涣散，遗忘的记忆也开始不停闪现。杂乱破碎的场景，一幕幕刺激感官的记忆很快将他的精神世界土崩瓦解。3 个小时后，医生和护工把他拉了出来。此时的杰克已经变得目光呆滞，院长看到他没有生命危险，交代几句后便离开了现场。第二天，杰克在大厅内休息，一个名叫鲁迪的病人走了过来。杰克不想和他交流，然而对方却表现得极为热情。通过两人的谈话得知，鲁迪是因为在谋杀妻子 30 次无果后被关了进来。杰克听后感叹，他真是病得不轻。这时，新来的罗医生走过来打招呼。这一下让杰克和鲁迪立刻噤声，不再说话，显然，他们对医护人员没什么好感。
深夜，护工押送的杰克继续实验，依旧是昨天的步骤流程，他又一次被推进了停尸房。等所有人走后，黑暗中的杰克迎来了痛苦，斑驳的记忆再次不停闪回，很快将他的精神世界摧毁崩塌。一道强烈的白光之后，杰克出现在一个公交车站。此时，有个女孩从便利店中走出，她一眼就看到了杰克，为什么这个男人有种熟悉感？同一时刻的杰克也看到了女孩开着 GMC 小车路过他身边，女孩说，今天是圣诞节，无论你怎么等，都不会有车来。杰克木讷地表示，谢谢提醒。女孩看着男人傻里吧唧的样子，然后热心地说，可以搭我一程。可当杰克上车后，表现得更傻了。
无奈的女孩只好将男人带回了家。简单安顿好房客，女孩说去洗个澡，一会回来。打开女孩家的冰箱，里面的东西显得有些凌乱。等到女孩洗完澡出来时，杰克用仅有的食材制作了两个汉堡。这个男人真是绝了。女孩由衷地表示感谢，她还没吃过别的男人做的东西。随后两人坐下来聊天，温馨的感觉很快让女孩沉沉睡去。杰克贴心地为她盖上毛毯，然后起身观察起整个房子。
此时的杰克认为这一切都是梦，直到他看到一个熟悉的物件，仔细看，正是自己的兵级号码牌，分明是送给了叫安娜的女孩，可为什么会出现在这里？继续查看周围的东西，一张安娜和母亲的合影出现在视野中，翻看桌上的相册，安娜成长的照片一张张映入眼帘。杰克感到有些懵，现在到底是不是在做梦呢？带着疑问摇醒沙发上的女孩，杰克让她辨认照片中的人是谁。女孩说那是她和自己的妈妈，不过妈妈早就死了。杰克追问是什么意思，女孩说妈妈因为吸烟引起火灾，最后被烧死在了房子里。确定眼前的女孩就是安娜，杰克激动地问，现在是哪一年，安娜说是2007 年。这个回答让杰克震惊无语，随即说自己就是 1992 年出现的杰克。安娜听后根本不信，她说杰克早在1993 年元旦就死了，而且是死在了阿尔葛罗夫精神病院。不管杰克如何解释，安娜始终认为他在撒谎，自己好心收留你，你却翻看我的隐私，欺骗我。杰克讲述了当时的细节，可冲昏头脑的安娜已经崩溃，并将对方赶出了家。
当捷克走出房门的一瞬间，破碎的记忆再次回重现。下一秒又回到了 1992 年的医院停尸间。这一次的停留时间有些长，杰克脱水严重，变得十分虚弱。随后他被推进急诊室治疗。罗医生得知情况后过来查看，但他并不知道是院长在搞秘密实验。第二天，罗医生找到院长，开门见山，试图问出他对杰克做了什么。院长随便几句便敷衍过去，罗医生对此也毫无办法。
当天晚上，罗医生来到朋友家里，目的是帮忙治疗朋友的孩子巴洛克。原来，这个小男孩患有癫痫症，一种很难痊愈的生理疾病。次日清晨，杰克拔掉手上的输液管，然后偷偷跑到了外面。这一幕刚好被罗医生发现，杰克不想再回庭世隔，他要逃离变态院长的魔爪。罗医生尾随其后追了过来，并安抚杰克，一切都会好起来的。杰克说，自己没有杀害警察，你们为什么要这样对我？罗医生说，如果院长存在违规治疗，我可以帮你上报处理他。杰克没有回答，或许他惧怕院长的报复。最终在罗医生的劝说下，杰克放弃了逃跑。
回去后的杰克将穿越的事告诉了鲁迪，并说自己会在几天后死亡。鲁迪听后并不惊讶，原来他也有过一模一样的经历。杰克被这回答震惊，看来真的可以穿越到未来，也就是说自己真的会在几天后死亡。鲁迪向他讲了一些穿越技巧，只要能够沉下心思，就能回到自己想要的时间点。听到这里，杰克在心中有了计划。当天晚上，杰克再次被宋敬平失格，这一次的他没有大喊大叫，而是冷静下来开始思考。随着记忆的重现，他穿越到了被警察拦下的那一刻。
司机下车后连开数枪，显然他才是真正的罪犯。倒地的警察急忙掏枪反击，颗子弹击中了杰克，这一下让凶手乐开了花，他补枪后转身走向杰克，然后将指纹抹了干净，最后将枪丢在地上，逃之夭夭。原来这才是案发现场的真实情况。电光火石之间，杰克的身体回到了停尸阁，既然搞清了被冤屈的真相，接下来要去查查自己为何死亡，如此一来就能改写自己的命运。随着记忆的不断闪烁，杰克穿越到了 2007 年的便利店。原来安娜是这家店的服务员，他看到突然出现的杰克有些惊讶，然后请假走了出来。此时的安娜已经相信杰克，因为他所讲的细节确实只有自己知道。随后两人来到还未倒闭的阿尔葛罗夫精神病院，并找到了已经换任的新院长。
杰克装作是杰克的侄子来打探消息。新院长说只知道杰克是头部受创导致的死亡，具体原因他也不清楚。杰克询问老院长和罗医生在哪，新院长说老院长在秘密实验曝光后离开了医院，现在具体在哪他也不清楚，不过罗医生还在本院就职。随后在新院长的带领下，杰克和安娜前往去见罗医生。 Skeky smile 看着眼前和当年杰克一模一样的人，罗医生感到无比惊讶。落座后，他们聊起了往事。罗医生说当年的杰克还帮了自己大忙，原来他有个朋友家的孩子名叫巴洛克，因为癫痫症而导致身体受限，后来是杰克告诉他采用电疗才治愈了南海。杰克询问当年的杰克到底是怎么死的，罗医生回答说自己也不清楚，不过可以去问问老院长，或许他知道怎么回事。
告别罗医生后，杰克带着安娜来到了当年的停尸房，他告诉安娜，此刻的自己就躺在这个停尸阁内。正在这时，有个男人走了进来，这个男人是当年押送杰克的护工，如今疯疯癫癫也成了病人，杰克吓唬他自己就是当年的杰克。这样的说法让男人惊恐万分，索性有工作人员走过来安抚杰克，带上安娜趁机离开了停尸房。随后，两人来到医院的墓地，在这里，他们看到了鲁迪和杰克的墓碑。原来，鲁迪死于 2004 年2月，而旁边的杰克死于 1993 年1月1日。依据上面的日期推算，杰克还有两天的时间，如果找不出自己的死因，也就无法阻止被死亡的命运。经过和安娜的相处，杰克不知不觉中爱上了这个女孩。窗户边的罗医生看着这一切，他似乎猜出这个人就是当年的杰克。当天晚上，杰克拉着安娜拥吻在一起，然后和他度过了一个美好的夜晚。
等到杰克苏醒过来，他已经回到了 1992 年。罗医生来看望杰克。杰克将自己穿越到 2007 年的经历告诉了他，罗医生听后根本不信，于是杰克说出了巴洛克的名字，并告知他只有通过电疗才能治愈症状。罗医生瞬间呆住了，因为他从未将此事告诉过任何人。为了打消心中疑惑，罗医生下班后来到了朋友家，他第一次用电疗进行尝试。然而，正如杰克描述的一样，小男孩巴洛克真的被治好了。与此同时，杰克被院长又一次送进了停尸阁。一阵记忆的不断闪现，杰克再次穿越到了 2007 年。当安娜打开车门后，他发现杰克已经坐在车里等着了。在路上，安娜说根据线索查到了院长的住处，随后他们就找到了院长，再见阔别多年的杰克。院长以为自己的眼睛花了，杰克开门见山说自己就是当年的杰克，然后询问自己是怎么死的，院长被吓得说不关他的事，他只记得自己。
最后一次拉出杰克时，杰克突然说出了一些名字，安娜询问都是谁的名字，院长说全是被自己实验致死的人，然后罗列了几个人的名字。杰克说此刻的自己就躺在停尸阁内，说到底就是院长害死的自己。此时的院长老泪纵横，或许是害怕，又或许是悔恨，他在转身离开时说了一句话，okay，Jack。听到这句话的杰克犹如遭受雷击，不断闪回的记忆传来一个信息，时间到了。
回到车内的杰克告诉安娜，自己马上就要被拖出停尸阁，他预感这将是最后一次穿越，然后询问安娜小时候的家庭住址。安娜说完后祈求杰克不要走，可当他回头查看时，坐在后面的杰克消失了。火花带着闪电的记忆将杰克传送回去，第一眼看到的是院长，杰克当即说出了那些被致死的病人的名字，并怒斥他要立即停止这残忍的实验。院长听后震惊在原地，他想不通杰克为何会知道自己的秘密。 1993 年元旦当天，罗医生过来感谢杰克，然后询问自己能为他做些什么。于是杰克报出了安娜家的地址，他写了一封信想交给安娜的母亲。随后罗医生驱车将杰克送到了地方。此时的安娜自然还是小女孩，她浑然不知眼前的男人即将改变未来，杰克看到安娜也是百感交集，打过招呼后，见到了安娜的母亲，女人看起来依旧是神志不清。
吃走安娜后，杰克递上了自己写的信件，并告诉他一定要认真看完，因为这关乎着他们的命运。女人非常诧异杰克的举动，不过还是懵懂地接受。在送杰克走出家门时，杰克突然说出了安娜的小名，小花瓣，还说安娜非常希望母亲能这样一直叫她。女人听后满脸震惊，因为这是她和女儿独有的秘密。安娜跑过来想送杰克，两人握了握手，进行了告别，而这一别，即将是生死之别。回去的路上，杰克突感不适，他似乎预感到死亡即将降临。车子很快回到了医院，罗医生下车去搀扶，而杰克看起来已经几乎昏厥，恍惚之间，战场的记忆猛然浮现眼前。此时的杰克忽然明白，原来自己的死是场意外。杰克自知命不久矣，他请求罗医生将自己放进停尸阁。
与此同时，安娜的母亲读了杰克的亲笔信，上面讲述了一个匪夷所思的故事，大致意思是杰克知道自己早就死了，不过他通过奇怪的方式延续了生命，并且还穿越时空见到了未来。信中还说安娜的母亲会因为抽烟而丧命，所以为了他们的幸福，杰克建议他改掉浑浑噩噩的生活状态。
另一边的杰克被放进了停尸阁，此时的他没有闪回任何记忆，而是满眼都是安娜的影子。一道刺眼的白光过后，杰克如愿以偿穿越到了 2007 年，这时的安娜从便利店出来，然后走向了自己的甲壳虫汽车。杰克看到了安娜，安娜也看到了杰克。杰克明白自己已经改变未来，她开心地笑了起来。紧接着，安娜再次打来招呼，并询问她的脑袋怎么了。杰克说自己不小心滑倒摔了一跤。安娜说自己正好要去医院上班，不如捎带你一起去看看吧！
就这样，杰克再次坐上了安娜的车，并重新认识了她。在路上，安娜接到了母亲的电话，言语间能看出她十分幸福，而这一切正如杰克希望的一样。至此，本片结束。该片类似于经典的蝴蝶效应，不过烧脑的剧情却表现得十分隐晦，这也让上万网友给出了数以百计的结局猜想。以下是个人解析，仅供参考。
杰克在被警察射中时就已经死了，不过在濒死之际，他将身边的人物进行了故事编排。院长代表了海湾战争，罗医生代表了和平使者，巴洛克代表了杀死他的小男孩，鲁迪代表了杀死警察的罪犯。杰克从头至尾痛恨战争，但他却原谅了杀死他的小男孩。杰克痛恨杀死警察的罪犯，但他却通过鲁迪表达了释怀。鲁迪所说的谋杀妻子30 次，其实是映射杰克的憎恶，却又选择了和解。至于出现的安娜，纯粹是杰克想让他能得到完美的生活和爱情。