Tim（多姆纳尔·格利森 Domhnall Gleeson 饰）21岁了，他的老爸（比尔·奈伊 Bill Nighy 饰）告诉他，他们家族的男人都有时光旅行的超能力，可以回到过去。于是Tim将信就疑地试了一下，回到了夏天，在那里他试图改变和暗恋对象的关系，却发现怎么穿越时空都不能让不爱你的人爱上你。之后Tim来到了伦敦，成为了一个律师。他爱上了一个漂亮的姑娘Mary（瑞秋·麦克亚当斯 Rachel McAdams 饰），他通过几次时空旅行，努力地想成为Mary的男朋友。再后来，他又试图通过时光旅行，去挽回一场失败的话剧，去改善妹妹的生活，去更好地和亲人、朋友相处，度过生命中的每一天

小小少年T.S. 斯派维（凯尔·凯特莱特 Kyle Catlett 饰）生于蒙大拿州一个偏远牧场，他有一颗聪明绝顶的大脑，酷爱制图学和科学图解，年仅十岁就发明了永动机。他的父亲（考乐姆·吉斯·雷尼 Callum Keith Rennie 饰）是个狂热的牛仔迷，搜集关于西部牛仔的一切；母亲（海伦娜·伯翰·卡特 Helena Bonham Carter 饰）是一位生物学博士，潜心投入到昆虫研究中；而姐姐则是一个最普通不过的正常人，她常常为生在这个一屋子怪人的家里而烦恼。T.S.原本还有一个异卵双胞胎弟弟雷顿，去年死于一场意外。
　　这天，T.S.接到一个来自史密森学院的电话，告知他被授予了世界科学大奖贝尔德奖，并邀请他到华盛顿演讲。于是，十岁的科学奇才T.S.斯派维，偷偷爬上了货运火车，独自踏上了穿越美国的奇异旅行。