近未来。地球は「ギタイ（Mimics）」と呼ばれる宇宙からの侵略者[注釈 2]により、滅亡の危機に晒されていた。人類側の統合防衛軍[注釈 3]は敵の強大な戦力に対して劣勢な戦いを強いられていたが、「ヴェルダンの女神」「戦場の牝犬」の異名で知られる英雄リタ・ヴラタスキの活躍によって反撃の糸口を掴み、機動スーツと呼ばれる歩兵用パワードスーツの投入によって、欧州地域における大規模な殲滅作戦を立案する。軍属の報道官であったウィリアム・ケイジ少佐は、殲滅作戦を指揮するブリガム将軍から戦場の現地取材という任務を命じられるが、危険な任務から逃れたい一心でそれを拒否し、報道官としての立場を乱用して将軍を脅迫しようとしたため、将軍の不興を買って地位を剥奪され歩兵として最前線に送られてしまう。

ケイジが配属されたJ分隊の兵士たちは彼に非協力的で、ケイジは武器の安全装置を解除する手順すらレクチャーされないまま殲滅作戦に参加させられる。統合防衛軍の目論見に反して戦況は圧倒的に劣勢で、J分隊の仲間や、英雄であるはずのリタも次々と戦死していく。武器が使えず逃げ惑うばかりで何の戦果も上げられなかったケイジも最期の勇気を振り絞り、自爆用に渡されていた地雷を使い、青白く輝く獣のような姿をしたギタイと相打ちになって死亡する。

ところが次の瞬間、ケイジは意識だけが時間を遡り、出撃前日まで戻るという怪現象を体験する。既視感を覚えつつも同じ2日間を過ごし、同じように劣勢な戦場で戦死し、再び前の時間に戻ることが繰り返されるにつれ、ケイジは自分が死ぬと同時に、体験した記憶はそのままに、出撃前日に遡るというタイムループに巻き込まれてしまっていることに気付く。

理由は分からないながらもループする戦場で生き残るため、ケイジは敵の攻撃パターンを覚えて戦い、リタを死ぬはずの運命から助ける。するとリタから、彼女もまた以前タイムループに巻き込まれた経験があり、今はその能力を失っていることを告白される。リタによれば、時間のループはギタイ側が自らの未来を有利なものに変えるために起こしている現象であるという。ケイジは最初の戦いにおいて、未来から過去へと情報を伝送する役割を持った「アルファ・ギタイ」と呼ばれる個体と相打ちになりその青い体液を浴びたため、偶然にギタイからループ能力を奪って身につけたのだという。

ケイジはリタとその協力者であるカーター博士から、奪取したループ能力を利用することが人類がギタイに勝利する唯一の希望となること、このことを他の人間に話せば人体実験の対象とされてしまう未来しかないこと、ギタイとの戦争に勝利するためには「オメガ・ギタイ」と呼ばれる個体を探し出して敵のループを止める必要があること、さらに輸血を受けるとタイムループの能力は失われてしまうことなどを告げられる。

ケイジはループ開始時に監視を抜け出してリタとカーター博士に事情を説明するところから繰り返し、何度死んでも生き返れる特性を生かして過酷な訓練を受け、敵の出現位置や攻撃パターンを覚えていく。そしてギタイ側がループ能力を奪った人間を探し出す過程で見せるとされる幻覚を逆利用して、オメガの居場所がドイツにあるダムの地下であると特定し、リタと共に戦場を突破してその場所を目指そうとする。そして次第にケイジはリタに惹かれていく。

しかしリタは途中のある一点から先へと進むことができず、ケイジの制止を振り切って名誉の戦死を選んでしまう運命であることが判明する。ケイジは自暴自棄になり、以降のループで戦場から逃亡するようになるが、結局どこへ逃げても人類がギタイに滅ぼされる結末からは逃れられないことを再確認する。ケイジは逃げることもリタと共に進むことも諦め、一人でオメガの居場所とされる場所へと辿り着くが、結局ギタイ側が見せていた幻覚はケイジを誘い出してループ能力を奪い返すための偽の情報に過ぎず、オメガの居場所はそこではなかった。ケイジは罠を振り切って脱出する。

今までの試みが徒労であったことをリタとカーター博士に告げるケイジ。するとカーター博士は、ギタイ側が見せる幻覚に頼らずにオメガの居場所を逆探知する技術は他にもあり、しかしながらそのための機材は、ケイジを戦場送りにした人物でもあるブリガム将軍が取り上げてしまったという。ケイジはタイムループ能力を使って将軍の警備を掻い潜り、どのような交渉をすれば将軍を説得でき、将軍の護衛からの追撃を逃れることができるかを幾度となく繰り返し見極め、将軍から奪った機材を用いて、オメガの居場所がパリのルーヴル美術館にあるガラスのピラミッドの地下であることを突き止める。しかし、それと引き替えに逃走中に大怪我を負ったケイジは輸血を受けたことにより、タイムループの能力を喪失してしまう。

二度と失敗はできないという状況の中、ケイジは繰り返してきたループの経験と、既に英雄として顔が知られているリタの協力により、それまでのループでは非協力的であったJ分隊を味方につけ、航空機と武装を盗用してパリへと乗り込む。ギタイ側の防衛も手厚く、J分隊の隊員たちは次々と戦死しリタも倒れるが、ケイジはループの中で繰り返してきた戦闘経験に支えられ、死力を尽くして戦い、オメガと相打ちとなる。しかしケイジは死の直前、再び青い体液を浴びたことからループ能力を再獲得し、ブリガム将軍と出会って地位を剥奪される直前の時間まで戻る。

ケイジが戻った先の時間では、元の時間同様、冒頭の英雄リタ・ヴラタスキの活躍によって反撃の糸口を掴み戦意が高揚していた。ブリガム将軍から地位を剥奪されず、すべての記憶と経験を持ったまま、少佐としてケイジがリタに会いに行くと、彼女は初対面のケイジに対して不思議そうな顔をする。しかしケイジは、再びリタと再会できた喜びに頬を緩ませるのだった。
登場人物・キャスト
ウィリアム・ケイジ
演 - トム・クルーズ、日本語吹替 - 森川智之[26]男性。