Il capitano Colter Stevens (Jake Gyllenhaal) è un pilota di elicotteri decorato che si ritrova privo di memoria su un treno per Chicago, nessun ricordo di come sia arrivato in quel luogo, unico indizio un portafoglio che rivela che il suo nome è Sean Fentress. Nel suo stesso scompartimento seduta di fronte a lui una bella donna di nome Christina (Michelle Monaghan) che si rivolge a lui come lo Sean Fentress dei documenti, ma prima che Stevens possa rendersi conto di ciò che gli accade, una bomba esplode distruggendo il treno.
Stevens però non è morto nell’esplosione, anzi sembra che l’esplosione in realtà non sia mai avventuta, almeno per quanto lo riguarda, infatti al suo risveglio il soldato si ritroverà in una stanza dove da un monitor il capitano Colleen Goodwin (Vera Farmiga), un ufficiale dell’esercito racconterà a Stevens che si trova all’interno del Source Code, un programma che gli permette di prendere in consegna il corpo di un soggetto nei suoi ultimi otto minuti di vita, vivendo una sorta di iperrealistica simulazione.
La missione dell’avatar occupato da Stevens sarà quella di individuare una bomba che ha recentemente distrutto un treno diretto a Chicago. proprio il treno in cui Stevens si è risvegliato, cercando di scoprire chi ha costruito e piazzato l’ordigno utilizzando il suo alter ego virtuale e fornendo a Goodwin informazioni utili prima che gli attentatori riescano a far esplodere un secondo ordigno molto più grande, una bomba sporca che potrebbe colpire il centro di Chicago causando la morte di milioni di persone.
