一场车祸，母亲丧生，而孩子却奇迹般幸存，他赤裸着身体获救，然而救人者竟然是来自未来的自己。原来，这个名叫亨利（艾瑞克•巴纳EricBana饰）的图书管理员，患上慢性时间错位症，以至于每次发病都将穿越时空。而且，他每次穿越都赤身裸体，经常闹出笑话。久而久之，亨利习以为常。一个偶然的机会，他爱上了一个名叫克莱尔（瑞秋•麦克亚当斯RachelMcAdams饰）的女孩。为了追求克莱尔，他穿越时空对6岁的克莱尔表白，并许诺未来将娶她为妻。因此，当亨利在现实中出现时，两人迅速热恋、结婚，而且还生了一个女孩。但是，亨利的老毛病依旧无法改变，所以克莱尔必须适应这个穿越时空的老公，两人也因此历经磨难……本片改编自美国作家奥黛丽•尼芬格(AudreyNiffenegger)创作的同名畅销小说。
1970 年代初期，亨利·德坦布尔 (Henry DeTamble) 遭遇车祸，他的母亲安妮特·德坦布尔 (Annette DeTamble) 丧生，但他无意中穿越回两周，幸免于难。过了一会儿，亨利得到了一个老版本的自己的帮助，他也回来了。亨利无法控制旅行的时间或目的地，他发现自己被生活中重要的人、地方和事件所吸引，但除了他的存在所造成的微小差异之外，他无法改变事件。
1991 年，亨利在他工作的图书馆遇见了克莱尔·阿布希尔。尽管他是第一次见到她，但她很高兴见到他。克莱尔解释说，她小时候遇到了亨利未来的自己，亨利当时告诉她，他们将来会见面，这正在发生。小时候，克莱尔迷恋亨利，当她得知他已婚时感到很沮丧。当克莱尔满 18 岁时，也就是他们在图书馆见面的两年前，年长的亨利吻了她，让她意识到他是她未来的丈夫。他们开始了一段关系，但亨利的疾病却给他们带来了挑战。
由于他到达目的地时完全赤身裸体，这让他零星的时间旅行变得更加复杂。从很小的时候起，他就学会了如何开锁和偷衣服来维持他的旅行。他的度假活动包括多次拜访年轻的克莱尔。从现在克莱尔的日记中，他得到了一份拜访她的日期清单，并将这些日期交给了年轻的克莱尔，以便她可以拿着衣服等他。克莱尔最终与亨利结婚。亨利的时间在仪式开始前流逝，一个明显年长的自己及时出现并介入。
亨利的失踪对他与克莱尔的关系造成了影响。为了弥补这一点，亨利因提前掌握了号码而购买了一张中奖彩票，但他们的关系仍然存在问题。亨利和克莱尔目睹了一位中年受伤的亨利从另一个时间短暂抵达，这让他们担心亨利还能活多久。他的疾病也使得与克莱尔生孩子似乎是不可能的，因为亨利的基因导致他们未出生的胎儿进行时间旅行。他们寻求一位著名医生的帮助，但在经历了多次类似的流产后，亨利进行了秘密的输精管结扎术结束他们的痛苦。然而不久之后，克莱尔最后一次怀孕了——怀的是年轻版本的亨利的来访——并怀上了孩子足月。在孩子出生之前，亨利穿越时空，愉快地遇见了他们十几岁的女儿阿尔巴。她告诉他，她也是一名时间旅行者，但对旅行的时间和地点越来越有控制权。阿尔芭告诉亨利，他将在她五岁时死去，亨利随后向克莱尔隐瞒了这一事实。
阿尔芭十几岁前的自己最终试图让年轻的自己为亨利的死亡做好准备，她偶尔会拜访年轻的阿尔巴。在阿尔巴与家人和朋友举行的五岁生日聚会上，克莱尔发现亨利即将去世，悲痛欲绝。后来，由于一次时间跳跃出错并暂时使用轮椅而遭受严重冻伤后，亨利再次穿越时空，被正在狩猎麋鹿的克莱尔父亲意外射中。亨利及时归来，死在克莱尔的怀里。几年后，年轻的亨利拜访了阿尔巴和克莱尔，克莱尔希望他能再次拜访，尽管他告诉她不要花一生的时间等待他，希望这次相遇能为克莱尔和阿尔巴提供一个适当的结束。