La historia se desarrolla en un futuro cercano en el que una raza alienígena tipo colmena, llamada Mimics, ha llegado a la Tierra realizando continuas agresiones, reduciendo a escombros grandes ciudades y dejando millones de víctimas humanas a su paso. Ningún ejército del mundo puede hacer frente a la velocidad, brutalidad o clarividencia de los militarizados combatientes Mimic o de sus telepáticos comandantes. Pero ahora los ejércitos del mundo han unido sus fuerzas para realizar una ofensiva de largo alcance contra las hordas alienígenas, sin que haya una segunda oportunidad.

El Teniente Coronel Bill Cage (Cruise) es un oficial que nunca ha visto un día de combate cuando es degradado sin ceremonia alguna y después asignado – sin entrenamiento y sin un buen equipamiento – a lo que equivale a poco más que una misión suicida. Cage muere en unos minutos, consiguiendo llevarse a un Alpha con él. Pero, de manera increíble, se despierta al comienzo del mismo día y se ve obligado a combatir y morir de nuevo... una y otra vez. El contacto físico directo con el alienígena le ha hecho entrar en un bucle temporal, condenándole a vivir el mismo y brutal combate una y otra vez.

Pero cada vez Cage se hace más fuerte, inteligente y capacitado para enfrentarse a los Mimics con creciente habilidad, junto con la guerrera de las Fuerzas Especiales Rita Vrataski (Blunt), que ha vencido a más Mimics que ninguna otra persona en la Tierra. Mientras Cage y Rita luchan contra los alienígenas, cada una de las batallas repetidas se convierte en una oportunidad para encontrar la clave para aniquilar a los alienígenas y salvar la Tierra.