一艘飞艇即将进港，就在这时飞艇突然爆炸，砸向地面，人们四散奔逃。讲座结束的露西得知被取消终身职位面试，回到家的她见到妹妹艾米和一直昏迷的母亲，艾米鼓励露西创造自己的未来。一伙持枪歹徒进入科研基地，劫持安东尼并抢走母船。露西被国土安全局的人带到梅森集团，见到了新搭档怀亚特，梅森向他们介绍了时光机器，展示了“救生船”以及任务，回到兴登堡号的年代追捕弗林，卢夫斯被安排为驾驶员。回到过去的三人在酒吧见到凯特•蒙德，得知弗林混在帮助着陆的人里，三人到达现场告知罗森达尔指挥官弗林患西班牙流感，指挥官答应帮忙寻找，然而飞艇竟然成功着陆。懊恼历史被改变的三人在读凯特专栏时发现使飞艇返回欧洲时爆炸才是弗林的真正目的，然而三人被弗林叫来的警察逮捕拘押，露西在牢房中得知怀亚特想救凯特的真正原因是因为她像自己妻子。三人设计逃离牢房，在凯特的帮助下找到了炸弹，然而此时飞艇已经起飞，几人边拆炸弹边请求着陆，发现不对劲的弗林派手下阻止，飞艇还是因静电爆炸。

1865年4月14日，林肯遇刺一幕上演。吉雅答应帮露西查妹妹消失原因。露西和怀亚特到福特剧院找踩点的布斯，露西遇到林肯儿子罗伯特，在街上等待的卢夫斯被发现是假士兵。跟踪布斯的几人遭遇弗林，怀亚特被射伤，三人得知弗林的目的是其他三位政府官员，卢夫斯为怀亚特取子弹。罗伯特邀请露西看戏，在火车站露西再次遇到弗林，被告知改变历史原因。配枪的露西在剧院亲眼见到林肯激动不已，看戏过程中故意将水泼到格兰特将军身上将其支走，怀亚特到国务卿家中成功杀掉刺客，不听指令的布斯被弗林杀死，卢夫斯飞身扑倒刺客救下副总统，弗林代替布斯成功刺杀林肯，露西及时干扰救下格兰特将军。露西知道了妹妹没有出生及母亲并未生病的原因，亨利并非自己生父，卢夫斯拒绝再为梅森录音。回到家中的露西却见到众人在为自己举行订婚派对，并出现了一个从未见过的男友。

露西翻看自己和莫名出现的男友诺亚的出去度假的相册，怀亚特还在调查自己妻子死亡原因，卢夫斯被梅森告知安东尼可能是弗林的内应。肯尼迪和情妇被弗林拍到在一起拍拖，回到过去的三人组扮作服务员进入酒店，卢夫斯见到安东尼并欲将其救走，却发现其原为弗林帮凶。弗林欲劫持肯尼迪情妇朱迪思，被三人救下，得知其害怕弗林曝光拍拖之事，怀亚特决定先发制人，欲引弗林上钩的怀亚特被朱迪思砸晕，朱迪思被弗林带走，其为弗林偷到钥匙换到照片。怀亚特向50年后的妻子发电报警告危险，卢夫斯想到弗林要偷的是克里斯蒂弹丸，即原子弹芯体，弗林一行人被放走，却发现安东尼给了卢夫斯被掉包的手提箱。回到现实的怀亚特发现妻子依旧身亡，露西告诉诺亚自己需要时间，弗林一行回到军事基地挖出了之前埋好的原子弹芯。

德意志授勋大会举行同时，德国向盟军发射火箭。众人认为弗林偷原子弹的目的是将其带到1944年的德国，梅森向众人展示了服饰码头。三人小组来到纳粹战区，在酒吧遭遇弗莱明，他同意一起阻止弗林，怀亚特欲射杀弗林被露西制止，露西表示不想拿冯•布劳恩被杀冒险，露西和怀亚特谈心，受其鼓励获得信心。弗莱明把露西带到展示会，露西得知弗林要把布劳恩交给苏联人，弗莱明和露西被当作间谍被抓，布劳恩被弗林劫持，本意拆掉火箭的卢夫斯和怀亚特将其点燃爆炸，二人将露西弗莱明布劳恩救出，露西发现密道，众人成功逃脱。回到现实后发现此番经历成为邦德电影，弗林偷核弹的真正原因是将其做成电池为飞船充电，露西向克里斯托弗要求带回妹妹，卢夫斯受到里滕豪斯威胁。

特拉维斯中校夜间写下《不成功便成仁》的信件。卢夫斯找到梅森，得知其早就知道里滕豪斯，怀亚特被告知这是他最后一次任务。弗林见到桑塔•安纳将军愿为其提供帮助，在三人分头寻找时，特拉维斯中校被弗林枪杀，而中校还未写完那封鼓舞人心的信。安纳将军提前三天来到战场并树示警红旗，宣布不放过妇女儿童格杀勿论。怀亚特让露西继续写特拉维斯未完成的信，让卢夫斯找出路救出妇女儿童，自己向鲍伊上校寻求帮助争取时间。卢夫斯想通过引水道救出妇女儿童，可先需要砸开一米厚的石板，而露西写不出信，怀亚特救出小约翰。克洛科特告诉卢夫斯与熊搏斗是自己虚构的，怀亚特向鲍伊上校提议引敌军攻击为妇女儿童逃走争取时间，露西受到鼓舞写出信件，卢夫斯用怀亚特带来的手榴弹炸开石板，怀亚特劝说约翰送出信件，自己随其他二人回到现实。怀亚特在露西和卢夫斯的帮助下留在队伍中，露西母亲告诉了她亲生父亲的名字。

里滕豪斯再次找到卢夫斯，要挟让其录音的同时告诉他不能让众人听到被尼克松秘书抹去的录音，露西在生父门前不敢相见。三人刚刚回到过去就被弗林劫持，此时弗林已拿到录音并放给众人听，得知里滕豪斯想得到簿册，弗林已怀亚特为人质要露西与卢夫斯得到簿册。卢夫斯偷偷打电话向里滕豪斯报告，露西找到线人费尔特，被告知在调查现场见到奇怪符号，弗林告诉怀亚特自身经历和要消灭里滕豪斯的原因。卢夫斯通过特殊符号找到黑人解放军非官方总部，见到海耶斯并说服其带自己去找簿册，弗林从露西日记中找到怀亚特妻子死亡经过，二人发现簿册竟是被称为“博士”的人，逃离里滕豪斯的她原为其保存名册。卢夫斯再次告密，里滕豪斯要其除掉博士，卢夫斯向露西坦白被强迫录音的事，怀亚特企图逃跑失败，露西和卢夫斯带走博士，引弗林和里滕豪斯相互攻击，二人救出怀亚特，博士被海耶斯送到圣地亚哥，卢夫斯被安排继续窃听好监视里滕豪斯。回到现实的卢夫斯得知要挟自己和44年前向电话里报告的是同一人，弗林来到妻女墓前悼念，露西终于敲开亲生父亲家的房门。

三人组回到法国印第安人战争时期，被一队法国军人当作英国间谍俘虏，怀亚特帮计使三人逃脱，却发现弗林引三人回去的真正目的是借机炸毁“救生船”，把他们困在过去。“救生船”被炸坏，维修需要在当时情况下造一个电容器，为了回到现实，卢夫斯一行人还要挖坑完成“协议”期望被梅森找到，三人却不幸被印第安人抓捕。吉雅向梅森承认对卢夫斯有好感，三人在被俘时吐露心声，却发现酋长是女人，卢夫斯的诚实感动酋长将三人释放。梅森找到协议，却发现卢夫斯写的字不见了。三人设法混入了法军军中，卢夫斯利用手头资源制做好了电容，此时库隆中尉到来追捕三人，吉雅解密出卢夫斯在协议中的比喻，成功接管控制系统引导三人回到现实。吉雅和卢夫斯互示爱意，克里斯托弗探员决定开始监视梅森，三人小队在酒吧彼此激励，信任加深。

1969年，人类登月成功。弗林回到过去，偷到能进入宇航局的安保磁条并见到自己母亲，安东尼写入病毒使宇航局电脑系统瘫痪，登月宇航员被困月球表面，众人发现这与罗克曼公司有关，而卢夫斯不会修复过去的操作系统。在一筹莫展之际，卢夫斯想到可以找数学家凯瑟琳•约翰逊寻求帮助，怀亚特到罗克曼追查玛丽亚与系统瘫痪联系，而弗林则到公园与并不知情的母亲和哥哥见面，怀亚特追至公园却被弗林逃掉。凯瑟琳帮卢夫斯进入主机房，安东尼带人前去干扰，最终系统还是被卢夫斯成功修复，登月“再次”成功，而弗林去找玛丽亚的真正原因是为了及时救下自己的哥哥加布里埃尔。回到现实的众人发现弗林的哥哥真的被改变历史救活，克里斯托弗探员答应迟早帮露西救回妹妹，而卢夫斯就自己的改变向露西吐露心声。

1934年5月22日，雌雄大盗邦妮与克莱德被射杀致死。露西尝试与诺亚共进晚餐，结果并不理想。三人被告知要回到大萧条时期，目标是得到里滕豪斯钥匙，刚回到过去就在银行遭遇雌雄大盗，得到弗林通知的警察来到银行伏击，露西和怀亚特帮雌雄大盗成功逃脱。二人为博得信任谎称自己也是雌雄大盗，目标在第二天九点前得到邦妮脖子上的钥匙，卢夫斯被带到警局，骗过骑警哈默相信了自己伪造的身份。二人在喝酒过程中向雌雄大盗探听钥匙来历，其间怀亚特吐露向杰西卡求婚经过，二人得知钥匙是从亨利•福特那里抢来的，此时亨利告诉了警察雌雄大盗的藏身地。梅森向里滕豪斯报告克里斯托弗已经对他们有所觉察，见面过程被克里斯托弗看到。怀亚特偷钥匙时被克莱德发现，恰好亨利到来，危急关头卢夫斯放出亨利出卖雌雄大盗的录音，克莱德杀掉亨利，此时弗林与警察到来，克莱德中枪，钥匙被弗林夺走，邦妮殉情。克里斯托弗向卢夫斯询问梅森的资金来源，卢夫斯劝其别在追查，弗林用钥匙打开一座古老的钟得到一张纸条。

本尼迪克特•阿诺德离开华盛顿军营，叛逃至英军驻地。露西到克里斯托弗家与其家人共享晚餐，克里斯托弗将记录家人的U盘交给露西，梅森警告卢夫斯不要再对录音做手脚。回到过去的三人被华盛顿抓获，华盛顿军中的弗林要三人装作间谍帮其捉到阿诺德并给他们看了用钥匙打开钟得到的纸条，想把里滕豪斯扼杀在摇篮里，弗林答应告诉怀亚特杀害他妻子的凶手。四人假装叛逃到英军驻地，劫持阿诺德询问里滕豪斯消息，得知里滕豪斯只是一个人，阿诺德同意带四人去见里滕豪斯。众人发现大卫•里滕豪斯竟是个钟表匠，然而众人意图被其识破，阿诺德枪杀了大卫，抢到枪的卢夫斯救出众人，弗林杀掉大卫后欲将逃走的大卫儿子约翰赶尽杀绝，被前来阻止的露西放跑，弗林抓走露西随其一同穿越。

由于找不到约翰•里滕豪斯，弗林决定逐个除掉里滕豪斯成员，梅森拿到卢夫斯带回的空录音笔后劝其逃跑，而卢夫斯执意找回露西。回到过去的卢夫斯和怀亚特被弗林手下引到世界博览会酒店分别落入陷阱，露西被迫与弗林合作，二人找到密室逃脱魔术师胡迪尼，卢夫斯与怀亚特醒来发现被困在隔音密室中，胡迪尼告诉露西逃生的奥秘在于恐惧不是真实的，露西则暗示他用偷龙转凤，胡迪尼心领神会使二人摆脱困境并救下身为里滕豪斯成员的发明家们，露西求胡迪尼帮忙去营救被困酒店的伙伴。与怀亚特一起被困的建筑师发现墙上砖块的问题，怀亚特将墙开出小洞向外呼救，被正好前来的露西与胡迪尼救出，却不知一起被困的乔治正是连环杀手霍姆斯，露西被囚禁密室，此时露西装作灵媒说出霍姆斯经历将其震住，怀亚特及时赶到将霍姆斯击毙。回到现实的卢夫斯威胁里滕豪斯自己是唯一的飞行员并表明立场不再录音，而弗林在电话中告诉了怀亚特杀害自己妻子的凶手。

怀亚特在监狱见到弗林告诉自己的凶手，而凶手则告诉怀亚特他们二人都无法改变结局，露西在梦中见到妹妹，吉雅告诉卢夫斯梅森有意训练她，使其成为下一位“救生船”的驾驶员。弗林回到过去救下了差点被自己同伴谋害的杰西•詹姆斯，而其目的是雇佣詹姆斯帮自己找人，心不在焉的露西带三人找到独行侠原形巴斯，说服其与格兰特共同帮助追捕杰西与弗林，而现实中吉雅的训练并不顺利。杰西帮弗林穿越了印第安人领地，追击的巴斯向众人讲了自己的原则，小组三人在营地互相吐露心声。原来弗林要找的人是逃离里滕豪斯的母船首批飞行员艾玛，弗林劝说艾玛随自己一同对抗里滕豪斯，追击弗林的众人到木屋后发现众多高科技设备及艾玛并未身亡惊讶不已，此时遭到从弗林处得到加特林机枪的杰西的伏击，格兰特中弹身亡，欲击杀杰西的怀亚特遭到巴斯阻止，露西从背后将杰西击毙，巴斯认为这并非正义。梅森表示知道吉雅偷走驾驶员资料的事，而怀亚特找到卢夫斯希望他帮助自己。

怀亚特深夜到露西家，告诉她自己要偷走“救生船”，回到过去设法使杀害杰西卡的凶手父母不能相见从而救回妻子，并且不希望她同去，做足功课的他假装劫持了卢夫斯带自己回到1983年。安东尼联系到露西要求见面，表示自己有办法永远结束一切。到酒店的二人发现克莱尔与乔尔已经见面，怀亚特与克莱尔搭讪欲将其带离酒店，此时风暴来袭，众人被困酒店，二人决定分头行动搞定克莱尔与乔尔。与露西见面的安东尼成功摆脱定位追踪，他告诉露西里滕豪斯制造时间机器的真正目的，而结束这一切的办法就是摧毁母船与“救生船”，而他会炸毁母船。此时恰好到来的克莱尔的空乘同事认出怀亚特使其计划泡汤，克莱尔被乔尔带走。克里斯托弗同意炸毁飞船的计划，露西发现与梅森有联系的里滕豪斯竟是自己的父亲。怀亚特在卢夫斯帮助下摆脱州警，在克莱尔与乔尔发生关系前及时阻止并带走乔尔，乔尔在逃脱时不幸身亡。回到现实的怀亚特却得知自己的妻子仍未活过来，奥克兰发生爆炸，然而母船并未被毁，而安东尼被近距离枪杀，露西再次来到父亲家询问里滕豪斯的事。

怀亚特被单独关押，卢夫斯抱怨露西的父亲就是威胁自己家人的人，怀亚特的前战友“爆爆”大卫随二人追捕弗林。弗林使首次跨大西洋独立飞行的飞机提前降落，劫持驾驶员林德伯格，露西三人在坠机现场见到海明威，他带众人来到一家酒吧，找到舞女约茜提供帮助。此时，“救生船”基地已被国安局的内维尔接管，克里斯托弗被调离。弗林派去找苦艾酒的手下在酒吧与众人相遇，追击过程中“爆爆”中弹身亡，海明威自告奋勇充当军人，追至酒庄的露西被弗林抓走，露西表示愿意说服林德伯格离开里滕豪斯。被撤职的克里斯托弗探员再次与怀亚特见面，劝说其帮助自己的朋友并暗中留下别针。弗林找到沙尔维，而卢夫斯与海明威找到酒庄的地下墓穴救出露西和林德伯格。怀亚特逃出拘押地，回到现实的露西与卢夫斯受到内维尔的详细盘问，露西发现林德伯格并未做出改变，露西的母亲送给她一个日记本，而露西发现那正是弗林手中的日记本，只是里面还都是空白，秘密见面的众人决定合理对抗里滕豪斯。

内维尔逼迫露西和卢夫斯回到1962年杀掉弗林的母亲并派杀手跟随确保完成任务，卢夫斯麻醉了杀手并再次穿越回现实中的秘密藏身地，同时启动蠕虫病毒使控制台系统瘫痪，使梅森暂时无法追踪“救生船”去向，卢夫斯打电话给吉雅让她帮忙拖延时间，被内维尔发现，吉雅被囚禁。弗林回到1931年，向阿尔•卡彭告密使其逃避了逃税的牢狱之灾，回到过去的三人找到一直在追查卡彭的内斯，内斯则被阿尔手下追至家中枪杀，走投无路的三人找到阿尔的哥哥吉米，劝说其提供帮助，弗林从芝加哥市长口中得知下次里滕豪斯峰会将在1954年举行，同时现实中的吉雅利用自己快速攒出的电脑使梅森企业的电脑再次瘫痪，吉米带众人找到阿尔，阿尔受弗林所托射伤卢夫斯，吉米亲手杀了自己的弟弟。梅森以系统瘫痪修复需要时间为由要本杰明提供国安局数据田的原始数据，露西和怀亚特将奄奄一息的卢夫斯搀回“救生船”，飞船准备启动。

弗林梦见自己哄女儿入睡，醒来发现身边只剩下艾玛。三人小组成功回到现实，露西叫来诺亚帮卢夫斯治伤，却在之后告诉他他们两人并不合适。吉雅驾驶“救生船”带其他三人追捕弗林，克里斯托弗被里滕豪斯抓捕。弗林从麦卡锡处得到峰会地点，并指认怀亚特和露西为间谍使其被抓，吉雅出现红眼，怀亚特武力逃离关押救出露西。梅森救出克里斯托弗，交给她可使本杰明被定罪的信息，并告诉她这样做是为了拯救卢夫斯。露西跟踪祖父伊森，却发现他是个同性恋，二人借机要挟其带二人去参加峰会，吉雅突然昏迷，卢夫斯表露真情。找到弗林的露西表示想到了办法，愿意帮助他消灭里滕豪斯，成功阻止其引爆炸弹，亲眼目睹时光机器穿越的伊森相信了露西，答应提供帮助。回到现实的露西找到年老的伊森，拿到了他多年以来收集的里滕豪斯资料，并得到梅森软件的帮助，卢夫斯与吉雅在病房中正互示爱意，此时吉雅突然穿越。克里斯托弗逮捕了里滕豪斯成员，弗林与露西见面并交给她日记，却被追踪而至的克里斯托弗所捕，她允许露西可以去救回妹妹，怀亚特表示会向前看，愿意陪露西救回妹妹。