Colter Stevens (Jake Gyllenhaal) wordt met een schok wakker in een trein op weg naar Chicago. Hoewel de passagiers hem lijken te kennen heeft hij geen idee waar - of wie - hij is. Het laatste wat hij zich herinnert is een helikoptermissie in Irak. Nu zit hij in het lichaam van iemand anders, maar voor hij iets kan doen vernietigt een bomexplosie het complete treinstel en alle passagiers. Vlak na de treinexplosie komt Colter bij in een isolatiekamer, ingesnoerd op een stoel in zijn militaire gevechtstenue. Hij heeft nog steeds geen idee wat hem overkomt, behalve dat hij toegesproken wordt door commandant Carol Goodwin. Zij stelt hem een paar vragen waar Colter tot zijn verbazing het antwoord op weet. Dan komen computers tot leven en is Colter plots weer terug in de trein. Op exact hetzelfde moment als de vorige keer, voortrazend richting Chicago. Colter ontdekt dat hij zich in een simulator moet bevinden en net zo vaak de aanslag mee moet maken tot hij weet wie de dader is.