A principios de los años 70, Henry DeTamble sufre un accidente de coche en el que muere su madre, Annette DeTamble, pero al que sobrevive viajando inadvertidamente en el tiempo dos semanas atrás. Momentos después, Henry es ayudado por una versión más antigua de sí mismo que también ha viajado al pasado. Incapaz de controlar el momento o el destino de sus viajes, Henry se ve atraído por personas, lugares y acontecimientos importantes de su vida, pero es incapaz de cambiar los acontecimientos más allá de las pequeñas diferencias que crea su presencia.

En 1991, Henry conoce a Clare Abshire en la biblioteca donde trabaja. Ella está encantada de verle aunque es la primera vez que la conoce. Clare le explica que conoció al yo del futuro de Henry cuando era una niña, y que él le informó entonces de que se encontrarían en el futuro, lo que está ocurriendo ahora. De niña, Clare se enamora de Henry, y le molesta saber que está casado. Cuando Clare cumple 18 años, dos años antes de su encuentro en la biblioteca, el mayor de los Henry la besa, lo que la lleva a darse cuenta de que él es su marido en el futuro. Comienzan una relación, que se ve dificultada por el trastorno de Henry.

Sus esporádicos viajes en el tiempo se complican aún más por el hecho de que llega a sus destinos completamente desnudo. Desde muy joven, ha aprendido a forzar cerraduras y a robar ropa para soportar sus viajes. Entre sus escapadas se encuentran muchas visitas a la joven Clare, a la que va preparando con su mayor edad y experiencia vital para impresionarla. Del diario actual de Clare, obtiene una lista de fechas en las que la ha visitado y se las da a la joven Clare para que le espere con ropa. Finalmente, Clare se casa con Henry. Henry viaja en el tiempo antes de la ceremonia y una versión visiblemente más vieja de sí mismo llega a tiempo para intervenir.

Las desapariciones de Henry hacen mella en su relación con Clare. Para compensarlo, Henry compra un billete de lotería premiado por tener los números por adelantado, pero su relación sigue teniendo problemas. Henry y Clare son testigos de la llegada de un Henry herido de mediana edad de otra época, lo que les hace preocuparse por el tiempo que debe vivir Henry. Su trastorno también hace que tener un hijo con Clare sea aparentemente imposible, ya que los genes de Henry hacen que sus fetos no nacidos viajen en el tiempo. Buscan la ayuda de un médico de renombre, pero después de numerosos abortos involuntarios similares, Henry se somete a una vasectomía secreta para poner fin a su sufrimiento. Sin embargo, poco después, Clare se queda embarazada por última vez, de una versión más joven de Henry que la visita, y lleva al bebé a término. Antes de que el niño nazca, Henry viaja en el tiempo y conoce a su hija preadolescente, Alba. Ella le cuenta que también es una viajera del tiempo, pero que cada vez controla más cuándo y dónde viaja. Alba le dice a Henry que morirá cuando ella tenga cinco años, un hecho que Henry oculta posteriormente a Clare.

El yo preadolescente de Alba, que en última instancia trata de preparar a su yo joven para la muerte de Henry, visita a la joven Alba de forma esporádica. Durante la fiesta del quinto cumpleaños de Alba con su familia y amigos, Clare queda desolada al descubrir la inminente muerte de Henry. Más tarde, tras sufrir una grave congelación por un salto en el tiempo que salió mal y utilizar temporalmente una silla de ruedas, Henry vuelve a viajar en el tiempo y recibe un disparo accidental del padre de Clare, que está cazando un alce. Henry regresa a tiempo para morir en los brazos de Clare. Algunos años más tarde, un Henry más joven visita a Alba y a Clare, dando a Clare la esperanza de que él vuelva a visitarlas, aunque le dice que no se pase la vida esperándolo, esperando que este encuentro proporcione un cierre adecuado para Clare y Alba.