伊萬·崔本（艾希頓·庫奇 飾）的童年充滿了黑暗。他頻繁地經歷「失憶性昏厥」——每當生活中發生重大創傷事件時，他的記憶就會出現空白。醫生建議他通過寫日記來記錄生活，幫助恢復記憶。就這樣，伊萬從小養成了事無鉅細記日記的習慣，一本又一本的日記本成了他童年的忠實見證者。
伊萬和幾個孩子一起長大：他暗戀的女孩凱麗·米勒（艾咪·史瑪特 飾）、凱麗的哥哥湯米、以及他們共同的朋友蘭尼。這群孩子的童年遠不是無憂無慮的——凱麗和湯米的父親喬治·米勒是一個戀童癖，他強迫年幼的凱麗和伊萬拍攝兒童色情影像；湯米生性暴戾，當著其他孩子的面把伊萬的狗克羅基特活活燒死；幾個孩子在玩耍時意外引爆了一枚炸藥，炸死了一位母親和她的嬰兒。每一次創傷事件發生時，伊萬都恰好「失憶」了。
更令人不安的是伊萬的家族史。他的父親傑森·崔本是一名精神病院的患者，在伊萬小時候探望他時，傑森突然掐住了伊萬的脖子試圖殺死他，隨後被看守制服並打死。
發現穿越能力
伊萬長大成人後，考上了大學，表面上看似已經走出了童年的陰霾。直到有一天，他在宿舍裡重新翻開了那些塵封多年的日記本。當他專注地閱讀某一段童年記憶的文字時，不可思議的事情發生了——他的意識被拉回到了過去，回到了那段記憶發生的時刻，進入了兒時自己的身體。
他發現，那些童年的「失憶」並非真正的記憶缺失，而是因為他的意識在那些時刻被未來的自己所取代。更重要的是，他可以在過去做出不同的選擇，而當他回到現在時，整個現實都會因為那個改變而重新排列。
伊萬激動不已。他終於有了改變一切的能力。
第一次穿越：拯救凱麗
觸發伊萬第一次穿越的是一個噩耗：凱麗自殺了。多年未見的凱麗始終沒能走出童年被父親性侵的創傷，最終選擇了結束自己的生命。
悲痛欲絕的伊萬翻開日記本，穿越回了那個最關鍵的時刻——喬治·米勒強迫他和凱麗拍攝色情影像的地下室。這一次，年幼的伊萬鼓起勇氣對喬治說出了威脅性的話，成功阻止了侵犯的發生。
伊萬醒來後發現自己身處一個全新的現實：他和凱麗成了大學裡的情侶，兩人幸福甜蜜。一切看起來完美極了。
但蝴蝶扇動了翅膀。喬治沒有對凱麗下手，卻將魔爪轉向了兒子湯米。在這條時間線中，湯米從小遭受父親的虐待，長大後變成了一個極度暴力和扭曲的人。當湯米持刀襲擊伊萬時，伊萬在搏鬥中失手將湯米殺死，因此被判入獄。
第二次穿越：監獄中的掙扎
在監獄裡，伊萬再次利用日記本穿越回去。這一次他的目標是阻止湯米燒死他的狗克羅基特——他試圖通過改變這個事件來阻止湯米走上暴力之路。
然而在這條新的時間線中，一直被湯米欺凌的蘭尼在忍無可忍之下，用一塊金屬碎片殺死了湯米。伊萬回到現在後發現：蘭尼因為殺人而住進了精神病院，一輩子活在愧疚和崩潰中；凱麗則因為哥哥的死而自暴自棄，淪為了癮君子和妓女。
每一次修正都引發了新的災難。伊萬拯救了一個人，就會有另一個人墜入深淵。
第三次穿越：炸藥事件
伊萬又回到了那次致命的炸藥事故。他試圖挽救那位母親和她的嬰兒——如果沒有人死在那次事故中，也許一切都會不同。
湯米在這條時間線中挺身而出，用身體擋住了母親和孩子，成了英雄。但伊萬自己卻被炸藥波及，失去了雙臂，成了一個雙臂截肢的殘疾人。在這個現實中，他和凱麗確實在一起了，凱麗深愛著他、悉心照料他。但伊萬的母親因為兒子殘疾帶來的巨大壓力而開始酗酒，患上了肺癌，生命垂危。
第四次穿越：不可挽回的代價
為了拯救母親，伊萬再次穿越回炸藥事故現場。這一次他試圖在炸藥爆炸前將它扔掉。但凱麗恰好跑過來撿起了那枚即將爆炸的炸藥——她被炸死了。
伊萬每一次穿越都付出了巨大的生理代價。頻繁的時間旅行對他的大腦造成了不可逆的損傷，鼻血越來越頻繁，頭痛越來越劇烈。他發現，這種超能力不是無限的——他的身體正在被摧毀。
更讓他崩潰的是，他意識到這種能力是家族遺傳的。他的父親傑森也擁有同樣的能力，也曾反覆嘗試改變過去，最終精神徹底崩潰，被關進了精神病院。傑森掐他脖子的那一刻，並不是單純的瘋狂，而是一個絕望的父親試圖終結這個詛咒般的循環。
最終的選擇
伊萬最終醒悟了一個殘酷的真相：他的每一次干預都只會製造出更糟糕的現實。蝴蝶效應的本質不是讓你修正錯誤，而是告訴你——世界的複雜性遠遠超出任何人的控制能力。每一個微小的改變都會像漣漪一樣擴散，產生無法預料的後果。
在院版結局中，伊萬做出了最後一次穿越。他回到了童年第一次遇見凱麗的那天。那是一個生日派對，年幼的凱麗走過來，友好地向他介紹自己。而這一次，伊萬沒有對她微笑，沒有成為她的朋友——他惡狠狠地對她說了一番傷人的話，把小女孩嚇哭了。
凱麗和湯米因此選擇了跟母親生活，而不是留在戀童癖父親身邊。沒有了父親的侵害，凱麗不會自殺；沒有了父親的虐待，湯米不會變得暴力；蘭尼不會被逼上絕路；也沒有人需要去死。
伊萬回到現在。他和凱麗從未成為朋友，從未相愛。他銷毀了所有的日記本和錄影帶，徹底放棄了穿越的能力。多年後，在紐約的街頭，伊萬和凱麗在人群中擦肩而過。兩人短暫地對視了一眼——那一眼中有一閃而過的熟悉感——然後各自轉身，消失在了人海中。
導演剪輯版結局
導演剪輯版提供了一個更加極端也更加震撼的結局。在這個版本中，伊萬已經腦損傷嚴重，失去了所有的日記本，再也無法通過文字穿越。但他找到了一盤家庭錄影帶——畫面中是他的母親在懷孕時拍的，即將分娩。
伊萬通過觀看這段影像，穿越回了母親的子宮中。他用臍帶纏住了自己的脖子，在出生之前結束了自己的生命。影片開頭曾提到，伊萬的母親在他之前有過兩次流產——這暗示著那兩個未出生的孩子也擁有同樣的能力，也做出了同樣的選擇。
片中一位靈媒曾對童年的伊萬說過一句話：「你沒有生命線。你不屬於這個世界。」在導演剪輯版中，這句話終於得到了最完整的呼應。