Henry DeTamble (Eric Bana) sofre de uma rara modificação genética, que o faz viajar pelo tempo involuntariamente. Numa de suas viagens, ele conhece a pequena Clare (Rachel McAdams), que se apaixona por ele imediatamente. Ano após ano, ela espera sempre no mesmo lugar que este estranho viajante retorne. Até que os dois, finalmente, se encontram e a paixão começa. Porém, o curso da vida de Clare é normal e, quando ela menos espera, seu grande amor desaparece, sem data para retornar. Como poderia um romance suportar a estas indas e vindas?