El soldado Colter Stevens (Jake Gyllenhaal) que, como parte de un experimento gubernamental para investigar un atentado terrorista, es introducido en el cuerpo de un intercambiador de vías, viviendo y reviviendo un accidente de tren, hasta que pueda averiguar quién es el responsable del sabotaje. Vera Farmiga interpretará a la oficial de comunicaciones responsable de controlar el viaje espacio-temporal de Gyllenhaal. Christina (Michelle Monaghan) es una viajera del tren, vinculada sentimentalmente al protagonista.