A New York, en 1899, Alexander Hartdegen, un brillant physicien de l'Université de Columbia, fait la connaissance d'Emma, une charmante demoiselle dont il tombe follement amoureux. Un soir, dans Central Park, il trouve le courage de lui déclarer sa flamme et de lui offrir une bague de fiançailles. Un voleur tente alors de dérober le fameux bijou, mais Emma ne se laisse pas faire. Un coup de feu retentit, la malheureuse s'effondre et meurt dans les bras d'Alexander.
Refusant cette triste fatalité, celui-ci consacre tout son savoir et toute son énergie à construire une machine à explorer le temps afin d'altérer le cours des événements et ainsi sauver la vie de sa bien-aimée. Alexander embarque à l'insu de tous pour ce voyage de la dernière chance et se voit bientôt propulsé dans le XXIe siècle.