Di awal 1970-an, hidup Henry DeTamble berubah drastis setelah kecelakaan mobil merenggut nyawa ibunya, Annette DeTamble. Henry selamat secara misterius karena tanpa sadar ia melompat ke waktu dua minggu sebelumnya. Tak lama kemudian, ia bahkan dibantu oleh versi dirinya yang lebih tua, yang juga melakukan perjalanan waktu.

Sejak kecil, Henry menyadari bahwa ia punya kondisi langka, bisa berpindah waktu secara spontan, tanpa bisa mengontrol kapan dan ke mana tujuannya. Ia selalu 'ditarik' ke orang, tempat, dan momen penting dalam hidupnya, tapi tak pernah bisa mengubah kejadian besar, hanya detail kecil yang terpengaruh oleh kehadirannya.

Tahun 1991, Henry bertemu Clare Abshire di perpustakaan tempat ia bekerja. Anehnya, Clare terlihat sangat bahagia bertemu Henry, padahal bagi Henry ini adalah pertemuan pertama mereka.

Clare lalu menjelaskan bahwa sejak kecil ia sering didatangi Henry versi masa depan, yang sudah bilang kalau suatu hari mereka akan bertemu, dan momen itu akhirnya terjadi sekarang. Sejak kecil, Clare diam-diam menaruh perasaan pada Henry, dan ia sempat patah hati saat tahu Henry sudah menikah di salah satu kunjungannya.

Saat Clare berusia 18 tahun, dua tahun sebelum pertemuan mereka di perpustakaan, Henry versi dewasa menciumnya. Dari situlah Clare sadar, Henry adalah suaminya di masa depan. Mereka pun menjalin hubungan, meski cinta mereka harus terus diuji oleh kondisi Henry yang tak bisa ditebak.

Masalahnya makin rumit karena setiap kali Henry berpindah waktu, ia selalu tiba tanpa pakaian. Sejak kecil, ia belajar membobol kunci dan mencuri baju demi bertahan hidup.

Banyak perjalanannya justru membawanya kembali ke masa kecil Clare. Dari buku harian Clare di masa kini, Henry mendapatkan daftar tanggal kunjungannya ke masa lalu, lalu memberikannya pada Clare kecil agar ia siap menunggu, lengkap dengan pakaian.

Akhirnya, Clare dan Henry menikah. Namun bahkan di hari pernikahan, waktu kembali 'berulah', Henry menghilang sesaat sebelum upacara, dan versi dirinya yang lebih tua muncul tepat waktu untuk menggantikannya.