No ano de 2167 o mundo que conhecemos não existe. A vida natural do planeta foi totalmente devastada, sobrando nada além do que um imenso deserto, cujo ar é irrespirável. Os humanos foram confinados a viver em Treze Colônias sob vigilância da Coalition, uma força policial meio humanas meio máquinas que é subordinada à Neuron, o Senhor Supremo do Mundo. Neuron é uma Inteligância Artificial criada em 2017 que, no ano de 2020, dominou o mundo e o levou a beira da destruição. Os únicos com coragem o bastante para desafiar tal ditadura são os membros da organização chamada Cordis, um grupo de resistência que procura uma forma de tirar Neuron do poder.
Hazel Emmett Brown é uma jovem incomum que tenta viver uma vida normal após o acidente que condenou seu pai a morte. Ela sobrevive com a mãe na Classe Baixa da sociedade de 2167. No dia 09/09/2167 ela cruza seu caminho com a Coalition; os policiais tentam abusar de uma mulher, mas Hazel a salva usando sua habilidade particular. Enquanto fugia, ela cruzou seu caminho com o Dr. Lake Harkness, líder da Cordis.
Harkness informa a garota sobre uma Janela que a Cordis vinha desenvolvendo capaz de mostrar o passado. A Janela, porém, também poderia ser usada para voltar ao passado e impedir que Neuron seja criado, mas apenas Hazel, devido a sua peculiar habilidade, é capaz de sobreviver a jornada. Sem ter muitas escolhas, ela volta para o ano de 2004 para salvar o futuro.