Действие фильма происходит в недалёком будущем. Земля подверглась нападению инопланетной расы (в репортажах СМИ пришельцы обозначены как «противник»; военные дают прозвище «мимики» (имитаторы)). Пришельцы успели захватить Западную и часть Центральной Европы. Армии государств объединяются — понимая, что иного шанса победить нет. Единственный успех в войне был одержан в битве при Вердене, благодаря использованию экзоскелетов. В одном из которых простой сержант Рита Вратаски (Эмили Блант) в одиночку уничтожила более ста мимиков, за что обрела мировое признание и получила прозвище «Ангел Вердена»; солдаты с уважением зовут её «Цельнометаллическая стерва» (англ. Full Metal Bitch), но этот вариант самой Вратаски не по душе.
Для набора новых рекрутов военными проводится грандиозная пиар-кампания «Ангела Вердена» в СМИ. Майор армии США Уильям Кейдж (Том Круз) просыпается в вертолёте, подлетающем к штабу Западного фронта в Лондоне. Он встречается с командующим фронтом генералом Бригхемом (Брендан Глисон). Тот объявляет, что Кейдж примет участие в готовящейся высадке в Нормандии. Майор Кейдж возражает, что он пресс-секретарь, штатский в душе и был отправлен с задачей проводить пиар-кампанию. Он угрожает что сделает из генерала виновником в потерях перед обществом. Генерал приказывает охране арестовать майора. Кейдж пытается бежать, но его парализуют электрошоком.
Герой приходит в себя на военной базе в пригороде Лондона — Хитроу, где понимает, что его разжаловали в рядовые, и записали в группу, которая завтра десантируется в Нормандии. Во время первого боя Кейдж встречает Риту Вратаски, но та погибает, как и все вокруг. Мимики истребляют весь взвод Кейджа. Отбившись от них он замечает необычного мимика голубого цвета. Тот бросается на Кейджа, но майор успевает схватить и привести в действие противопехотную мину. Мимика разрывает в клочья, его кровь проливается на Кейджа, разъедая его заживо.
Кейдж снова приходит в себя на базе Хитроу, переживая вновь все события … вчерашнего дня. При нём сохранились все его воспоминания, и он переживает данный день снова и снова, каждый раз погибая.
В очередной «жизни», когда он замечает и спасает Риту Вратаски, та бросает оружие и просит: «Найди меня, когда очнёшься!», чем его очень удивляет. Оказывается, Рита также переживала петлю времени, но потеряла такую способность после ранения с последующим переливанием крови. Рита поясняет, что способность управлять временем, «перезагружая» день, Кейдж получил от убитого мимика типа «Альфа».
Единственный, кто понимает Риту, доктор Картер (Ноа Тейлор) — в прошлом физик-микробиолог — поясняет: мимики представляют собой единую нейронную сеть, где рядовые жёлтые пришельцы являются обычными клетками, голубые Альфы выполняют роль нервных узлов, а «центром управления» является Омега, находящаяся далеко от поля боя. Рита рассказывает, что вскоре у Кейджа будут видения, в которых он увидит, где находится этот центр. Картер добавляет, что способность управлять временем делает мимиков непобедимыми противниками. Рита говорит Кейджу, что он должен найти и уничтожить мозговой центр мимиков — сделав то, что не успела сделать она в Вердене.
Вскоре Кейдж видит обещанное видение и понимает, что центр нейронной сети мимиков находится на дамбе где-то в Швейцарии. Ценой многочисленных повторений у Кейджа получается туда добраться. Для этого он много тренируется. Рита объясняет ему, что передать эту способность другому человеку нельзя. Кейдж намекает на секс, говоря, что это может сработать, но Рита уверяет его, что проверяла этот метод, и он не работает.
В одной из версий будущего Кейдж не верит в свой успех и сбегает с базы (и с поля боя) в Лондон. Он видит, как мимики захватывают Лондон, и успевает понять перед гибелью — бездействие означает, что война проиграна.
В одном из вариантов будущего Кейдж понимает, что Рита неизбежно погибает на пути до конечной цели. Предприняв все попытки сохранить ей жизнь, Кейдж выдаёт себя, и Рита, осознав это, раскрывает ему своё второе имя, намекая, что теперь он тот, кому она может довериться.
Приняв решение пойти до Омеги один, Кейдж добирается до заброшенной дамбы, но не находит там Омегу, зато встречается с мимиком типа Альфа, который пытается захватить его живым. С трудом совершив самоубийство, Кейдж возвращается на базу и рассказывает Рите и Картеру, что видения — это ловушка мимиков.
Доктор Картер рассказывает, что у него есть прототип устройства, позволяющего найти Омегу. Но для этого им нужен Альфа, а устройство находится в штабе генерала Бригхема. Рита говорит, что роль Альфы исполнит Кейдж, поскольку он обменялся кровью с пришельцем. После многих попыток Рита и Кейдж проникают в кабинет генерала и убеждают его отдать устройство. Генерал его отдаёт, но не верит им и направляет на героев охрану. Рита с Кейджем пытаются скрыться на автомобиле, Кейдж приводит в действие устройство и узнаёт, что Омега прячется в Париже, в полузатопленном музее Лувра, прямо под пирамидой. В этот момент один из охранников в экзоскелете разбивает машину, и беглецы теряют сознание.
Кейдж приходит в себя в госпитале, прикованным к кровати. Он понимает, что ему сделали переливание крови. Рита собирается убить Кейджа и перезагрузить время, но тот заявляет, что потерял свои способности. Кейдж проникает на базу в Хитроу и с помощью Риты убеждает свой взвод помочь ему. Герои захватывают боевой конвертоплан и летят в Париж. Возле Лувра конвертоплан подбивают мимики, и солдаты на ходу прыгают из него. В живых остаётся только половина отряда. Кейджу и Рите удаётся запустить конвертоплан, и долететь до входа в музей, оставшиеся прикрывать отход Скиннер и Грифф погибают, подорвав себя с окружившими их мимиками.
Мимики догоняют героев и залезают в конвертоплан. Рита и Кейдж пробираются на заброшенную автостоянку под пирамидой и подрывают проход. Рита убегает, отвлекая на себя подоспевшую Альфу, а Кейдж проплывает в затопленный зал, где встречает Омегу. Альфа, убив Риту, догоняет Кейджа. Смертельно раненый Кейдж успевает подорвать Омегу гранатой. Кровь погибшей Омеги окутывает тело Кейджа.
Майор Кейдж просыпается в вертолёте, подлетающем к штабу Западного фронта в Лондоне. В СМИ передают сообщение о выбросе энергии в Париже, генерал Бригхем объявляет прессе о полной дезорганизации инопланетян и начале наступления войск. Кейдж отправляется на военную базу в Хитроу и снова знакомится с Ритой, но уже как майор.
