身为图书馆管理员的亨利（艾瑞克·巴纳饰）原本过着普普通通的生活，但自从患上一种被称为是“慢性时间错位症”的疑难杂症后，他的生活就注定不再普通。这种病无法治愈，并且随时随地可能发病，而发病的临床症状就是时空穿梭。这个被许多人看来是美妙的事情，对亨利来说却痛苦至极。因为他不仅无法控制时空穿梭的发生时间，而且身上的衣物都不能跟着亨利一起穿梭，所以每次时空穿梭完毕，亨利都是赤身裸体的，为此他没少出糗。经历了上百次时空穿梭后，亨利已经渐渐习惯了这种非常规的生活，直到在一次穿梭的时候，他遇见了一位叫克莱尔（瑞秋·麦克亚当斯饰）的女孩。那一年亨利28岁，克莱尔20岁，他们一见钟情。但对于克莱尔来说，那并不是她跟亨利的第一次见面，她6岁的时候就见到过他，那时的亨利36岁，他对克莱尔说：“我来自未来，我是时间旅行者，在未来我们是朋友。”此后她又多次见到过他，11岁时，克莱尔跟同学一起玩占卜板游戏，结论是她未来的老公叫“亨利”；13岁时，克莱尔对亨利的思念达到了炽热的程度；17岁时，克莱尔对亨利说：“我不会离开你的，即使你总是离开我。”20岁时，克莱尔满怀喜悦地告诉身边的朋友：“我爱他，他是我的生命。我一直在等他，用我的一生等他，现在，我终于等到了。”于是，3年后两人结了婚，然而婚后，亨利和克莱尔的生活依然被时间旅行所困扰。亨利仍旧无法控制自己，过度劳累、嘈杂的声音、压力、突然的起立……任何一件事情都可能导致他的“失踪”，有时是几分钟、十几分钟，有时是几天、几个月，最长的一次竟然达到了两年。亨利的失踪和再现像秋千一样，在克莱尔的生活中荡来荡去，给她带来了无尽的烦恼，在这些烦恼中，克莱尔苦苦挣扎、苦苦等待。事实上，亨利也渴望回到正常的生活秩序中来，为此他四处求助医生，但毫无效果。克莱尔觉得自己已经处在了崩溃的边缘，而此时，她与亨利的彻底分别也终于不可逆转地降临了。2007年元旦，新年的钟声响过之后，在时间旅行的途中，亨利被一颗来自1984年的子弹击中，当场毙命，他的年龄永远停止在了43岁上。但克莱尔的等待却还在继续。
