Takatoshi Minamiyama (Sota Fukushi) é major em arte em uma universidade em Kyoto. No trem para a escola, ele vê Emi Fukuju (Nana Komatsu) e se apaixona por ela à primeira vista. Reunindo toda a sua coragem, ele fala com ela. Eles começam a namorar e desfrutar de dias felizes juntos, mas Emi revela seu segredo para ele.
Viajantes no tempo vêm de 2051 com uma mensagem urgente: daqui a 30 anos, a humanidade perderá uma guerra contra alienígenas mortíferos. A única esperança para a sobrevivência é que soldados e civis sejam levados para o futuro para lutar. Determinado a salvar o mundo pela filha, Dan Forester alia-se a uma cientista brilhante e ao próprio pai, que o abandonara, para alterar o destino do planeta.
Durante o casamento da irmã (Tala, interpretada por Camila Mendes), Sarah (Cristin Milioti) testemunha a estranha perseguição sofrida por Nyles (Andy Samberg), um dos convidados com quem ela estava a passar momentos bastante agradáveis. Ao seguí-lo para dentro de uma caverna, a dama de honra vê-se presa num loop temporal do qual apenas eles parecem ter noção, vivendo o mesmo dia de novo e de novo. Tudo se complica quando ela descobre que Nyles está preso há muito mais tempo do que ela e não faz a menor ideia de como sair dali.
Hector, um homem de meia-idade, entra acidentalmente num dispositivo que o faz viajar no tempo uma hora. Isso o faz encontrar a si mesmo, desencadeando situações e gerando consequências incontroláveis.
A narrativa roda em torno de três amigos interpretados por Chris O’Dowd, Marc Wootan e Dean Lennox Kelly, rostos bem conhecidos da televisão britânica. Numa noite vulgar no Pub local, Ray (Chris O’Dowd) encontra-se com uma bela e excêntrica jovem, interpretada por Anna Faris, que afirma ter vindo do futuro. O encontro desencadeia uma serie de eventos que põe em perigo o resto do mundo, cabe agora a Ray e seus amigos tentar resolver o mistério da viagem no tempo, que para tal, usam o conhecimento que eles têm do fenômeno.
Nos subúrbios industrializados e cheios de casas pré-fabricadas de uma qualquer cidade contemporânea, dois jovens engenheiros, Abe e Aaron, fazem parte de um pequeno grupo de homens que durante o dia trabalham para uma grande empresa enquanto se dedicam, nos tempos livres, a fazer experiências numa garagem. Quando trabalham no seu último projecto, um aparelho que reduz a massa aparente de qualquer objecto bloqueando a força da gravidade, descobrem acidentalmente que o mesmo tem capacidades totalmente inesperadas, que lhes permite fazer e ter qualquer coisa que quiserem. O seu primeiro desafio é decidir se devem aproveitar esta oportunidade única. O segundo será enfrentar as consequências.
Londres, 1893. A cidade está em pânico em razão das mortes cometidas por Jack, o Estripador. O escritor H.G. Wells está entusiasmado em mostrar aos seus amigos uma invenção extraordinária, que ainda não foi testada: uma máquina do tempo. Neste momento chega a polícia dando uma busca no local, pois o perigoso assassino se encontra nas proximidades. Logo descobrem provas comprometedoras de que John Lesley Stevenson, um dos convidados do escritor, é o criminoso, mas ele desapareceu como por encanto. De repente Wells entende o que aconteceu: ele usou a máquina do tempo para escapar, mas como não tinha a chave a invenção voltou ao ponto de partida.
Billy Pilgrim, um veterano da Segunda Guerra Mundial, encontra-se misteriosamente desligado do tempo, para poder viajar, sem o poder ajudar, desde os dias da sua infância até aos da sua vida peculiar num planeta distante chamado Tralfamadore, passando pela sua amarga experiência como prisioneiro de guerra na cidade alemã de Dresden, sobre a qual paira a sombra inevitável de uma tragédia indescritível.