Evan Treborn (Ashton Kutcher) hat jedes Zeitgefühl verloren. Schon in seiner Kindheit verschwanden entscheidende Momente seines Lebens im schwarzen Loch seiner Vergesslichkeit. Seine Jugend war bestimmt von mehreren schrecklichen Ereignissen, an die er sich nicht mehr erinnern kann. Nur geisterhafte Erinnerungsfetzen sind ihm geblieben - und gescheiterte Existenzen um ihn herum: seine einstigen Sandkastenfreunde Kayleigh (Amy Smart), Lenny (Elden Henson) und Tommy (William Lee Scott).

Schon als Kind wurde Evan ständig von einem Psychologen behandelt, der ihn dazu anhielt, Tagebuch zu führen, um die Alltagsereignisse festzuhalten. Inzwischen studiert Evan, und als er in einem seiner alten Tagebücher blättert, kehrt er plötzlich auf unerklärliche Weise in die Vergangenheit zurück. Er begreift, dass die Notizbücher unter seinem Bett eine Art Zeitmaschine sind, mit der er in seine Vergangenheit reisen und sich seine Erinnerungen zurückholen kann. Doch durch die Auseinandersetzung mit den damaligen Vorfällen fühlt Evan sich nun für das Scheitern seiner Freunde verantwortlich. Das betrifft vor allem seine Jugendfreundin Kayleigh, die er auch als Erwachsener weiter liebt.

Evan beschließt, endlich das zu tun, wozu er damals nicht in der Lage war: Bewusst reist er in die Vergangenheit, wobei sein heutiger Verstand in seinem damaligen Kinderkörper steckt. Er will die Geschichte neu schreiben und seinen Freunden die traumatischen Erfahrungen ersparen. Durch die Kursänderung im Lauf der Ereignisse hofft Evan auf einen entsprechenden Wandel der Gegenwart.

Doch jedes Mal, wenn Evan in der Vergangenheit etwas ändert, muss er feststellen, dass sein Handeln in der Gegenwart unerwartete und katastrophale Auswirkungen hat. Was er auch versucht - offensichtlich ist es nicht möglich, eine neue Realität zu schaffen, in der Kayleigh und er "bis an ihr Lebensende glücklich und zufrieden leben" können.