Henry DeTamble (Eric Bana) conheceu Clare Abshire (Rachel McAdams) quando tinha apenas 6 anos, em um campo perto da casa de seus pais. Logo eles se tornaram grandes amigos, avançando para confidentes e depois amantes. Só que há um problema: o futuro de Clare é o passado de Henry. Ele é um viajante do tempo, devido a uma modificação genética rara que o faz levar a vida sem saber em que época estará. O fato de Henry conhecer o futuro sempre incomodou Clare, mas agora a situação se inverteu. Quando Henry volta no tempo para encontrar Clare aos 6 anos, é ela que, em sua fase adulta, sabe qual será o futuro de seu amado.