Clare (Rachel McAdams) ha estado siempre enamorada de Henry (Eric Bana), un bibliotecario de Chicago. Está convencida de que están destinados a vivir juntos, aunque no sepa cuándo tendrán que volver a separarse: Henry es un viajero del tiempo, con una rara anomalía genética que lo condena a vivir su vida en una escala de tiempo cambiante, avanzando y retrocediendo a través de los años sin ningún control. A pesar de que los viajes de Henry son tan imprevisibles que Clare nunca sabe cuándo volverán a verse, intenta desesperadamente adaptarse a esa vida, pues lo que sí sabe es que no podría vivir sin Henry.

James (Colin Farrell), el más inteligente de una promoción que está a punto de ingresar en la CIA, considera su trabajo en la Agencia como una forma de eludir la rutina diaria. Antes de convertirse en Oficial de Operaciones, tendrá que superar un curso especial para adquirir los conocimientos de un experto veterano, pero aprende rápidamente los entresijos y las reglas del juego. Lo malo es que se enamora de Layla, una de sus compañeras. Cuando James comienza a cuestionarse su papel en la Agencia, su jefe (Al Pacino) le encarga una misión especial para desenmascarar a un topo.