Dans un futur proche, des hordes d'extraterrestres invincibles appelés les Mimics ont envahi la Terre et décimé les armées humaines. Le commandant William Cage, un officier des relations publiques sans aucune expérience du combat, est envoyé de force sur le front pour une offensive suicide. Tué en quelques minutes, il entre inexplicablement dans une boucle temporelle qui le condamne à revivre sans cesse le même combat sanglant. À chaque répétition, Cage gagne en expérience et affine ses compétences de combattant aux côtés de Rita Vrataski, une héroïne des forces spéciales. Ensemble, ils cherchent un moyen d'utiliser cette malédiction temporelle pour détruire la source d'énergie des envahisseurs.