En 1899, Alexander Hartdegen, un brillant physicien new-yorkais, rencontre Emma, une ravissante jeune femme dont il s'éprend. Un soir, au gré d'une promenade à Central Park, il décide de lui déclarer son amour, et s'apprête à lui offrir une bague de grande valeur, lorsque surgit un voleur, qui tente de dérober le bijou. Face à la résistance d'Emma, le malfaiteur fait feu, tuant la jeune femme. Alexander, atterré, consacre maintenant toute son énergie à la construction d'une machine à explorer le temps, qui lui permettra de remonter dans le passé. Il espère ainsi modifier le cours tragique des événements. Après quatre ans de travail acharné, il parvient à ses fins.