Henry DeTamble (Eric Bana) è un bibliotecario di Chicago sposato con la bella artista Clare Abshire (Rachel McAdams). L’uomo è affetto da una rara malattia genetica, a causa della quale si trova a viaggiare nel tempo involontariamente nei momenti di stress. Durante i suoi viaggi temporali Henry visita Clare molte volte, a partire da quando lei ha sei anni, annunciandole sempre le date in cui sarebbe tornato a trovarla in futuro. Clare riporta ogni dettaglio degli incontri sul suo diario, che custodisce gelosamente. Tuttavia, quando Clare, ormai ventenne, incontra il ventottenne Henry, quest’ultimo non ha la minima idea di chi lei sia e sostiene di non averla mai vista prima. Mentre lei conosce già la maggior parte della sua vita…