2035年，人类文明因一场致命病毒几近毁灭，幸存者被迫躲入地下。科学家们发现病毒源自神秘的“十二猴子军”，决定派遣囚犯詹姆斯·科尔穿越回1996年调查真相。由于技术失误，科尔意外来到1990年，被当作精神病患者关押。在精神病医生凯瑟琳的帮助下，他逐渐拼凑线索，发现十二猴子军首领竟是父亲的精神科同事。当科尔终于回到正确时间点试图阻止疫情时，却目睹了自己在机场被射杀的宿命循环。最终病毒仍被释放，暗示人类命运无法改变。影片通过时间悖论探讨了自由意志与宿命的对抗，布鲁斯·威利斯饰演的科尔在追寻真相过程中，逐渐模糊了现实与幻觉的界限。