亚历山大（盖·皮尔斯GuyPearce饰）博士是一位狂热的科学爱好者，他一直想证明时间旅行是可行的，并将全部的精力都投放到了时间机器的研究中。可是一天，未婚妻的意外离世让他悲愤不已，并加紧了时间机器的研制，希望能重返过去，拯救未婚妻的生命。时光机研制成功，亚历山大成功穿越到了过去，亲眼目睹了未婚妻的意外事故。可是无论他回到过去多少次，都没有办法救回未婚妻，未婚妻都会因为各种意外事故身亡。问题，到底出在了什么地方？亚历山大为了解开这个谜，将寻找答案的希望放在了过去。不停的穿越，不停的前往未来寻找答案……直到八十万年后的地球，亚历山大发现，人类已经进化到跟现在完全不一样。而那时的地球上分为了两个派系爱好和平的伊莱人和好战的莫洛人，为了帮助伊莱人摆脱莫洛人的统治，亚历山大不惜毁掉时光机，而他也发现了最终的秘密。
1899年，亚历山大·哈特根博士是一位在纽约哥伦比亚大学任教的发明家。与他的朋友大卫·菲尔比不同，亚历山大宁愿做纯粹的研究，也不愿在商界工作。一名抢劫犯杀死了他的未婚妻艾玛后，他致力于建造一台时光机，让他能够回到过去拯救她。1903 年完成机器后，他回到 1899 年并阻止了她的谋杀，却发现当一辆马车吓坏了另一辆车的马匹时，她再次被杀。
亚历山大意识到，任何拯救艾玛的尝试都会导致她因其他情况而死亡。他穿越到 2030 年，探索科学是否已经找到了改变过去的方法。在纽约公共图书馆，全息图书馆员Vox 114 坚称穿越到过去是不可能的。亚历山大穿越到 2037 年，当时月球殖民者意外破坏了月球，导致地球几乎无法居住。在重新启动机器以避免碎片时，他被撞昏了，并在重新醒来之前穿越到 800,000 年前的 802701 年 7 月 16 日。
地球已经痊愈，人类也恢复了原始的生活方式。一些被称为“埃洛伊”的幸存者住在曾经是曼哈顿的悬崖边。亚历山大由一位名叫玛拉的女士照顾，她是少数会说英语的埃洛伊人之一。他观察着破碎的月亮，意识到也许他的教义导致了这个未来。一天晚上，亚历山大和玛拉的弟弟卡伦梦见了一张锯齿状的脸和一个呼唤他们名字的生物。亚历山大告诉玛拉这个梦，她告诉他他们都有这个梦。然后她注意到他的手表不见了。第二天，埃洛伊人遭到袭击，玛拉被猿拖入地下类生物。他们被称为“莫洛克人”，他们猎杀埃洛伊人。为了营救玛拉，卡伦带领亚历山大来到了Vox 114，它在80万年后仍然发挥着作用。
在从 Vox 那里得知如何找到莫洛克人后，亚历山大通过一个类似于他噩梦中的脸的开口进入了他们的地下巢穴。他被抓获并扔到玛拉坐在笼子里的地方。亚历山大遇到了一个聪明的人形超级莫洛克人，他解释说莫洛克人是月球分裂后进入地下的人类的后裔，而埃洛伊人是从留在地表的人类进化而来的。超莫洛克人是一个由心灵感应者组成的阶层，他们统治着其他莫洛克人，他们使用埃洛伊人作为食物和繁殖容器。
超级莫洛克解释说亚历山大无法改变艾玛的命运；她的死是他建造时间机器的首要原因，因此由于时间悖论，拯救她是不可能的。超级莫洛克向亚历山大展示了时间机器并告诉他回家。亚历山大进入机器，但将超莫洛克拉了进来，在战斗中将他们带入了未来。当亚历山大将超级莫洛克推出机器的时间泡之外时，超级莫洛克因迅速衰老而死亡。亚历山大停在 635,427,810，露出了莫洛克洞穴荒原上空严酷的铁锈色天空。
亚历山大承认自己无法拯救艾玛，于是决定回去拯救玛拉。释放她后，他启动了机器并卡住了齿轮，造成了时间扭曲。在莫洛克人的追击下，亚历山大和玛拉在时间扭曲爆炸时逃到了地表，杀死了莫洛克人，并摧毁了他们的洞穴和时间机器。亚历山大与玛拉和埃洛伊人开始了新生活，而 Vox 114 则帮助他教育他们。
1903 年，菲尔比和亚历山大的管家沃基特夫人讨论亚历山大不在实验室的情况。菲尔比告诉沃奇特夫人，他很高兴亚历山大去了一个能让他找到平静的地方，他想聘请她作为管家。她接受了，直到亚历山大回来。沃奇特夫人向亚历山大告别，菲尔比离开，深情地看着实验室。然后自豪地扔掉他的圆顶礼帽，以纪念亚历山大反对盲目服从。