Henry (Eric Bana) et Clare (Rachel McAdams) entament une relation amoureuse, perturbée par les capacités du premier qui possède des gènes lui permettant de voyager dans le temps.
Toutefois, Henry n'a aucun contrôle sur ce pouvoir et est ainsi propulsé dans le passé comme dans le futur pour quelques minutes ou plusieurs jours. Il rencontre à plusieurs reprises sa future femme encore enfant, et s’observe lui-même à plusieurs étapes de sa vie.
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