《時空戀旅人》講述了一個時空旅行者的故事。年輕的男主角Tim從爸爸那裡得知，他們家族的男人都有時空旅行的能力，可以回到過去的某個特定的時間。於是Tim打算用這個超能力穿越回去讓暗戀物件愛上自己。影片的開始，Tim（Domhnall Gleeson飾）參加一年一度的新年派對。

被成雙入對的情侶團團包圍的他顯得格格不入，即使身邊有一個女孩子對自己表示好感，Tim也只是和她握了個手顯然是個情場菜鳥。新年伊始，一個平淡無奇的早上，Tim被妹妹叫醒去和老爹談話。而老爹竟告訴他整個家族的男人都擁有時空旅行的超能力只需要走進封閉狹小的空間裡握緊雙拳，這讓Tim一時不敢相信。

抱著懷疑的態度進到衣櫃裡，握緊拳頭，竟然真的回到了新年派對的那個夜晚。這一次，他和所有人一樣，親吻了身邊的女孩。夏天到了，Tim的朋友的表妹Charlotte要來呆上兩個月。Tim決心用他的超能力讓Charlotte愛上自己，然而徒勞無功。於是他開始相信“所有的穿越時空都不能讓別人愛上你”。

夏天結束Tim離開家前往倫敦，打拼他的律師生涯，同時憧憬著自己的感情生活。他結識了性格古怪的房東，同時也是一個編劇。一天晚上Tim和同事去一家黑暗餐廳體驗時，認識了漂亮的女孩Mary（Rachel McAdams飾），於是戀愛上幾乎毫無經驗的他就這樣墜入了愛河。

為了拯救編劇朋友的首場演出，Tim穿越回了演出開始前。但是他也因此失去了和Mary相識的機會因為時空旅行只能回到過去，無法到達將來。於是他只能漫無目的地等待Mary的出現。在翻看報紙時，Tim偶然發現附近正在辦一場Kate Moss的展覽Mary提到過她很喜歡Kate Moss Tim趁這個機會終於見到了Mary。

但是對方竟然已經有了男朋友。於是Tim計劃穿越回她和男友相遇之前。 很幸運地，Tim的計劃進行得非常順利。他在派對上遇見了Mary， 而Mary也對眼前這個似乎與自己很有共同話題的男孩相談甚歡。Tim終於如願以償贏得了Mary的芳心。Tim很快便向Mary求婚了，兩人即將迎來他們第一個孩子。

Tim繼續用他的時空旅行能力挽回意外，讓自己和親友的生活變得更好。然而老爸卻突然宣佈自己患上了癌症，將不久於人世，而Tim卻對此無能為力，他不能回到孩子出生前的過去，否則任何對過去的改變都會影響到孩子的誕生。他只能和老爸一起珍惜最後的時光，兩個人穿越回從前，回到Tim還是個孩子的時候。

故事的最後，老爸去世後，Tim不再時空旅行了。相反，他努力過好每一天，就像每一天都是他平凡又非凡生命的最後一天。和理查德·科蒂斯的其他作品一樣，《時空戀旅人》用浪漫的愛情和親情故事，把“時空旅行”的軟科幻元素變得溫情。影片想傳達的，不是逃避現實，而是讓我們更用心地把生命中的每一天過得更好，珍惜身邊人。