Buscando una película de ciencia ficción sobre el Big Bang cuando era niño.
En 1899, el Dr. Alexander Hardigan (Guy Pierce) era un joven inventor que enseñaba en la Universidad de Columbia en Nueva York. A diferencia de su amigo conservador David Phoebe (Mark Addy), Alexander prefiere hacer una investigación puramente teórica que dedicarse a los negocios. Su novia Emma fue asesinada por unos ladrones, por lo que se concentró en construir una máquina del tiempo para salvarla. Cuatro años más tarde, cuando se completó la máquina, regresó a 1899, pero todavía no pudo evitar que la asesinaran. Sólo pudo ver cómo la mataban en un carruaje sin caballos.
Para descubrir por qué Emma no puede evitar la muerte, Alexander viaja al año 2030 para descubrir si se puede salvar su vida. En la Biblioteca Pública de Nueva York, la computadora de la biblioteca VOX 114 insiste en decirle que viajar en el tiempo es imposible, por lo que Alexander se da por vencido y continúa hacia el futuro, con la esperanza de encontrar la respuesta. Pero en 2037, los colonos humanos en la luna cambiaron la órbita de la luna, causando accidentalmente que la luna se desintegrara, y el caos gravitacional hizo que el mundo fuera casi inhabitable. Rápidamente reinició la máquina del tiempo para evitar que cayeran escombros de la explosión, pero cuando la explosión lo dejó inconsciente, inconscientemente movió la máquina hacia adelante. Cuando despertó, la máquina se había detenido en 80,2701.
En esta época, el ser humano ha vuelto a su forma de vida original. Algunos supervivientes, conocidos como "Eloi", viven en las laderas de los acantilados que alguna vez fueron Manhattan. Alejandro es salvado por Mara. Es una de las pocas mujeres en Eloy que habla algo de inglés. Una noche, Karen, el hermano de Alexander y Mara, soñó con un aterrador monstruo humanoide con dientes puntiagudos. Al día siguiente, Eloy es atacado por estos monstruos. Marla fue arrastrada bajo tierra y utilizada como alimento por monstruos parecidos a simios llamados "Morlocks". Para salvarla, Karen Alexander intenta reiniciar la máquina del tiempo VOX 114.
Alexander se enteró de que los Morlocks habían entrado en su reino subterráneo iniciando pesadillas similares a las suyas, pero fue capturado y arrojado a Mara, donde se sentó en una jaula. Allí conoció a uno de los hombres más inteligentes, Super Morlock, quien le explicó que los Morlocks pasaron a la clandestinidad tras la desintegración de la sociedad humana, mientras que los Eloi eran los descendientes de la evolución humana que se quedaron en la superficie y aún estaban evolucionando. Super Morlock es una clase, un monstruo que domina a la presa de Aloy. Super Morlock explica que Alexander no puede cambiar el destino de Emma porque, en primer lugar, su muerte es lo que lo impulsa a construir la máquina del tiempo: salvarla crearía una paradoja en el tiempo.
Alexander regresó a la máquina del tiempo con el consentimiento de Super Morlock. Alexander engañó a Super Morlock para que los llevara a la época en que gobernaban a la humanidad, y también trajo algunos Morlocks con él para prepararse para regresar a casa. Pero de repente empujó a Super Morlock hacia la máquina, y cuando la máquina giró hacia adelante rápidamente, luchó ferozmente y arrojó a Super Morlock fuera del asiento. Aunque algunas de las extremidades dentro del asiento de orugas Morlock no envejecieron, las partes fuera de la máquina pronto murieron. Luego, Alejandro detuvo la máquina en el año 6 d. C., 3542 y en el 7810 d. C., y todo Eloi fue gobernado por Moloch, dejando solo una tierra desolada y un cielo cruel de color óxido.
Al final, ve lo que ve y acepta que Emma no puede salvarse. Alexander vuelve a viajar en el tiempo con la esperanza de salvar a Marla. Después de dejarla ir, comenzó a destruir los engranajes de la máquina del tiempo y puso en la máquina el reloj de bolsillo traído en 1899. Alexander y Mara usaron la energía acumulada de la máquina del tiempo para crear una explosión masiva que mató a todos los Morlocks y destruyó su cueva. Alexander, Marat y otros Eloi comenzaron una nueva vida en 802701.
Al final de la película, la pantalla muestra dos escenas del mismo lugar en momentos diferentes: Alexander vive feliz con Mara y Karen en la que alguna vez fue su casa en Nueva York. Phoebe y el ama de llaves de Alexander, la señora Watchit, están en el mismo lugar en 1899, discutiendo tristemente su partida. Antes de partir, la señora Watchit del Laboratorio Alexander miró hacia atrás por última vez y se dijo: "Que tengas un buen viaje, mi buen muchacho".