Colter Stevens (Jake Gyllenhaal) se réveille en sursaut dans un train à destination de Chicago.Amnésique, il n'a aucun souvenir d'être monté dedans. Pire encore, les passagers du train se comportent avec lui avec familiarité alors qu'il ne les a jamais vus. Désorienté, il cherche à comprendre ce qui se passe mais une bombe explose tuant tout le monde à bord. Colter se réveille alors dans un caisson étrange et découvre qu'il participe à un procédé expérimental permettant de se projeter dans le corps d'une personne et de revivre les 8 dernières minutes de sa vie. Sa mission : revivre sans cesse les quelques minutes précédant l'explosion afin d'identifier et d'arrêter les auteurs de l'attentat. A chaque échec, les chances de pouvoir revenir dans le passé s'amenuisent. Alors qu'il essaie d'empêcher l'explosion, ses supérieurs lui apprennent qu'un deuxième attentat est en préparation en plein coeur de Chicago et qu'il ne s'agit plus de protéger les quelques passagers du train mais la ville toute entière. La course contre la montre commence