Tahun 2015, Bumi diserbu ras alien bernama Mimics yang mendarat di Jerman dan dengan cepat menguasai sebagian besar Eropa, menewaskan jutaan orang. Pada 2020, umat manusia membentuk aliansi militer global bernama United Defense Force (UDF) untuk melawan mereka.

Namun kemenangan terasa mustahil, sampai akhirnya Battle of Verdun dimenangkan berkat aksi heroik Sersan Rita Vrataski, yang kemudian jadi simbol harapan dunia.Di Inggris, UDF menyiapkan invasi besar-besaran untuk merebut kembali Prancis.

Mayor William Cage, petugas humas militer yang minim pengalaman tempur dan anti turun ke medan perang, diperintahkan Jenderal Brigham untuk meliput serangan langsung dari garis depan.

Cage panik dan mencoba memeras Brigham agar perintah itu dibatalkan. Usahanya gagal total, Cage justru ditangkap, diturunkan pangkat jadi prajurit biasa, dan dikirim ke pangkalan Heathrow untuk ikut invasi sebagai infanteri.

Cage ditempatkan di bawah Master Sergeant Farell bersama J-Squad, tim tentara 'buangan' yang langsung meremehkannya. Keesokan harinya, pasukan UDF mendarat di pantai Prancis dan langsung disergap Mimics.

Serangan itu berubah jadi pembantaian. Dalam kekacauan, Cage berhasil membunuh Mimic tipe 'Alpha' menggunakan ranjau Claymore. Namun ia ikut tewas dalam ledakan, berlumuran darah alien tersebut.

Anehnya, Cage tiba-tiba terbangun kembali di Heathrow, tepat di pagi sebelum invasi. Ia sadar dirinya mengulang waktu. Berkali-kali ia mencoba memperingatkan soal serangan, tapi selalu gagal dan mati di pantai, lalu terbangun lagi di titik yang sama.

Setiap loop membuat kemampuan bertarung dan pengetahuannya tentang medan perang makin meningkat. Cage berusaha menyelamatkan Rita agar bisa memimpin perlawanan, tapi Rita justru menyuruhnya membiarkan dirinya mati dan menyuruh Cage mencarinya di loop berikutnya.

Cage akhirnya berhasil meyakinkan Rita bahwa ia mengalami reset waktu. Rita pun mengaku pernah memiliki kemampuan yang sama setelah terpapar darah Alpha Mimic. Kekuatan itulah yang dulu membantunya memenangkan Battle of Verdun, sebelum akhirnya hilang akibat transfusi darah.

Mereka menemui Dr. Carter, pakar Mimic, yang menjelaskan bahwa Mimics adalah organisme super yang dikendalikan satu makhluk pusat bernama 'Omega'. Setiap kali Alpha terbunuh, Omega memutar ulang waktu dan mengubah strategi sampai Mimics menang.

Rita menyadari kemenangan UDF di Verdun sengaja dibiarkan Mimics agar manusia terlalu percaya diri dengan teknologi exoskeleton, lalu mengerahkan seluruh kekuatan ke Eropa, tepat seperti jebakan yang diinginkan Mimics.