Le film se déroule dans un avenir rapproché alors qu'une race extraterrestre attaque sans relâche la Terre, des envahisseurs qu'aucune puissance militaire au monde ne peut vaincre. Le major William Cage, un officier qui n'a jamais connu une seule journée de combat, est brusquement parachuté en pleine bataille dans le cadre de ce qui s'avère être une mission suicide. Tué après quelques minutes d'affrontement, Cage est plongé inexplicablement dans une boucle temporelle qui le force à revivre le même combat, luttant au front, y mourant... puis recommençant, encore et encore. Mais à chaque reprise, les aptitudes de Cage face aux adversaires, ainsi que celles de Rita Vrataski, une combattante des forces spéciales, s'améliorent. Et chaque affrontement avec les extraterrestres rapproche Cage et Rita de leur victoire sur ceux-ci.