En 2035, 99% des humains ont été décimés par une épidémie virale. Les survivants se sont réorganisés dans des souterrains. L'un d'eux, le prisonnier James Cole, a été sélectionné pour tester une machine à voyager dans le temps. Il est expédié en 1996 pour trouver l'origine du mystérieux virus. Malheureusement, Cole est renvoyé en 1990, six ans plus tôt que prévu. Là-bas, il est interné dans un hôpital psychiatrique où il rencontre une psychiatre qui, d'abord incrédule, finit par l'assister dans sa quête.