Colter Stevens, pilote d'hélicoptère de l'armée américaine en service en Afghanistan, se réveille en sursaut dans un train de banlieue filant vers Chicago. En face de lui, Christina, une passagère séduisante en pleine rupture amoureuse, semble le connaître, sans que ça soit réciproque. Un détour nerveux par les toilettes lui apprend qu'il habite le corps d'un enseignant qui prend ce train chaque matin. Quelques minutes plus tard, l'explosion brutale du véhicule en marche le ramène dans une unité d'isolement, où la capitaine Colleen Goodwin lui révèle le motif de sa mission: retourner sur les lieux de l'attentat, à l'aide du code source permettant à un individu de revisiter virtuellement les huit dernières minutes du train avant l'explosion, de manière à identifier le poseur de la bombe. À chaque visite, Colter multiplie les variations afin d'en apprendre davantage sur le crime, tout en étant, dès son retour, de plus en plus inquiété par son propre sort. Où est-il et de quel engrenage a-t-il été fait prisonnier?