Evan Treborn (Ashton Kutcher) ha perdido la noción del tiempo. Desde una edad muy temprana, momentos cruciales en su vida han desaparecido en el agujero negro del olvido; su infancia se ha visto marcada por una serie de acontecimientos aterradores que no es capaz de recordar. Lo que queda es el fantasma de los recuerdos y las vidas rotas que le rodean: las de sus amigos de la niñez, Kayleigh (Amy Smart), Lenny (Elden Henson) y Tommy (William Lee Scott).
Durante todo su infancia Evan asistió a sesiones de terapia con un psicólogo que le animaba a escribir un diario con todos los detalles de su vida cotidiana. Más adelante, en la universidad, decide leer uno de sus diarios y de repente e inexplicablemente se encuentra en el pasado. Finalmente se da cuenta de que los diarios que guarda debajo de la cama son un vehículo para regresar al pasado y recuperar sus recuerdos. Sin embargo, estos recuerdos sólo le hacen sentir a Evan responsable de las vidas estropeadas de sus amigos, particularmente la de Kayleigh, la amiga que fue su primer amor y a la que sigue queriendo.
Decidido a llevar a cabo lo que no pudo hacer durante su infancia, Evan viaja en el tiempo - con su mente actual en el cuerpo de niño - e intenta rescribir la historia para que sus seres queridos no sufran las experiencias traumáticas que tuvieron. Al modificar el pasado Evan espera transformar el presente.
Sin embargo, cada vez que Evan cambia algo en el pasado descubre al regresar al presente que sus acciones han tenido consecuencias inesperadas y desastrosas. Por mucho que lo intenta, no es capaz de crear una realidad que les permita a Kayleigh y a él vivir felizmente.