O capitão Colter Stevens (Jake Gyllenhaal) faz parte de um projeto ultrasecreto denominado Source Code capaz de transportar um homem para o corpo de outro, assumindo a sua identidade nos oito minutos de vida restantes de cada alvo escolhido para a "ocupação". Um atentado terrorista explodiu um trem nos arredores de Chicago, matando todos os passageiros e agora a sua missão é voltar no tempo, no corpo de uma das vítimas e tentar descobrir o autor do crime porque um novo alvo será atingido dentro de seis horas e o estrago promete ser ainda maior. Agora, ele precisa identificar o criminoso para evitar novas mortes, mas acaba se apaixonando por Christina (Michelle Monaghan), uma das vítimas do trem, e pretende mudar a história, alterando as regras do jogo e colocando o futuro em risco.