En 1899, el Dr. Alexander Hartdegen es un inventor que enseña en la Universidad de Columbia, en Nueva York. A diferencia de su amigo David Philby, Alexander prefiere dedicarse a la investigación pura y dura antes que trabajar en el mundo de los negocios. Después de que un atracador mate a su prometida Emma, se dedica a construir una máquina del tiempo que le permita viajar al pasado para salvarla. Cuando completa la máquina cuatro años después, viaja a 1899 y evita su asesinato, sólo para ver cómo la matan de nuevo cuando un carruaje sin caballos asusta a los caballos de un vehículo tirado por caballos.

Alexander se da cuenta de que cualquier intento de salvar a Emma provocará su muerte por otras circunstancias. Viaja a 2030 para descubrir si la ciencia ha sido capaz de resolver su pregunta de cómo cambiar el pasado. En la Biblioteca Pública de Nueva York, una bibliotecaria holográfica llamada Vox 114 insiste en que el viaje en el tiempo al pasado es imposible. Alexander viaja a 2037, cuando la destrucción accidental de la Luna por parte de los colonos lunares ha comenzado a hacer que la Tierra sea prácticamente inhabitable. Mientras reinicia la máquina del tiempo para evitar los escombros, queda inconsciente y viaja hasta el 16 de julio de 802701 antes de volver a despertar.

La raza humana ha vuelto a un estilo de vida primitivo y la Tierra se ha curado. Algunos supervivientes, llamados "Eloi", viven en las laderas de los acantilados de lo que fue Manhattan. Alexander es atendido por una joven virtuosa llamada Mara, una de las pocas Eloi que hablan inglés. Observa la luna rota y se da cuenta de que tal vez sus enseñanzas condujeron a este futuro. Una noche, Alexander y Kalen, el hermano pequeño de Mara, sueñan con una cara aterradora de dientes dentados y una criatura que les llama por su nombre. Alexander informa a Mara del sueño y ella le dice que todos tienen ese sueño, y se da cuenta de que su reloj ha desaparecido. Al día siguiente, los Eloi son atacados y Mara es arrastrada bajo tierra por unos monstruos de aspecto simiesco. Las criaturas se llaman "Morlocks" y cazan a los Eloi para alimentarse. Para rescatar a Mara, Kalen conduce a Alexander hasta Vox 114, que sigue funcionando después de 800.000 años.

Tras aprender de Vox cómo encontrar a los Morlocks, Alexander entra en su guarida subterránea a través de una abertura que se parece a la cara de su pesadilla. Es capturado y arrojado a una zona donde Mara está sentada en una jaula. Alexander se encuentra con un Über-Morlock inteligente y humanoide, que le explica que los Morlocks son los descendientes evolutivos de los humanos que pasaron a la clandestinidad tras la ruptura de la Luna, mientras que los Eloi evolucionaron a partir de los que permanecieron en la superficie. Los Über-Morlocks son una casta de telépatas que gobiernan a los demás Morlocks.

El Über-Morlock explica que Alexander no puede alterar el destino de Emma, porque su muerte es lo que le llevó a construir la máquina del tiempo en primer lugar: salvarla sería prácticamente imposible debido a la paradoja temporal. El Über-Morlock muestra a Alexander y le dice que se vaya a casa, habiéndole dado la respuesta que había estado buscando. Alexander entra en la máquina, pero arrastra al Über-Morlock con él, llevándolos al futuro mientras luchan. El Über-Morlock muere envejeciendo rápidamente cuando Alexander lo empuja fuera de la burbuja temporal de la máquina. Alexander se detiene en el 635.427.810, mostrando un cielo duro y oxidado sobre un páramo de cuevas de Morlock.

Aceptando que no puede salvar a Emma, Alexander viaja de vuelta para rescatar a Mara. Tras liberarla, pone en marcha la máquina del tiempo y atasca sus engranajes, creando una violenta distorsión en el tiempo. Perseguidos por los Morlocks, Alexander y Mara escapan a la superficie mientras la distorsión temporal explota, matando a los Morlocks y destruyendo sus cuevas junto con la máquina del tiempo. Alexander comienza una nueva vida con Mara y los Eloi.

En 1903, Philby y la Sra. Watchit, el ama de llaves de Alexander, están en su laboratorio discutiendo su ausencia. Philby le dice a la Sra. Watchit que se alegra de que Alexander se haya ido a un lugar donde pueda encontrar la paz, y luego le dice que le gustaría contratarla como ama de llaves, lo que ella acepta hasta que Alexander regrese. La Sra. Watchit se despide de Alexander y Philby se marcha, mirando hacia el laboratorio con afecto, y luego tira su bombín en homenaje a la objeción de Alexander al conformismo.