En 2020, la Terre est sous le contrôle de hordes d'extraterrestres extrêmement bien organisés, les Mimics. Tandis que l'humanité lutte de toutes ses forces pour retrouver sa liberté, un homme, le colonel William Cage, est tué au cours d'une bataille. Pris dans une faille temporelle, il se réveille finalement la veille de son décès. Comme un jour sans fin, ce cycle se reproduit sans cesse. A chaque nouvelle boucle, il apprend de ses erreurs et renforce ses chances de vaincre l'ennemi. La courageuse Rita Vrataski lui propose de l'aider à percer la stratégie des aliens, afin qu'il devienne une vraie arme de guerre...