本片讲述的是21岁的蒂姆·雷克（Domhnall Gleeson饰）在家族聚会中得知一个惊人秘密：雷克家族的男人天生拥有穿越时空的能力。尽管最初半信半疑，蒂姆还是尝试回到过去，试图改变与初恋夏洛特的告白失败，却发现无法让不爱自己的人爱上自己。这次经历让他明白，超能力无法扭转命运的核心。
随后，蒂姆搬到伦敦成为律师，在“黑暗餐厅”邂逅了玛丽（Rachel McAdams饰），一位性格直率却缺乏自信的姑娘。两人迅速坠入爱河，但一次意外穿越让蒂姆错失了与玛丽相遇的机会。他反复回到过去修正错误，最终成功赢得玛丽的心，两人结婚并育有一女。
婚后生活充满挑战。蒂姆用超能力帮助妹妹避免车祸，却导致女儿的性格改变；父亲（Bill Nighy饰）患癌后，蒂姆面临艰难抉择：拯救父亲意味着放弃未出生的儿子。最终，他选择迎接新生命，并在父亲临终前最后一次穿越，重温童年时光，在海边与父亲告别。
随着父亲离世，蒂姆逐渐领悟：超能力虽能修正细节，却无法改变生死与真爱。他开始珍惜当下，不再依赖穿越，而是用心感受每一天。影片以蒂姆与玛丽在海滩的温馨日常收尾，强调生命的真谛在于拥抱现在，而非执着于改变过去。
《时空恋旅人》以幽默温情的方式探讨时间、命运与亲情，提醒观众：即使拥有改变过去的能力，最珍贵的仍是当下的爱与陪伴。
