In naher Zukunft steht die Erde unter einem unerbittlichen Angriff einer eindringenden Streitmacht außerirdischer Kreaturen, bekannt als Mimics. Diese schwarmintelligenten Wesen haben bereits Kontinentaleuropa erobert, und die konventionellen Militäreinheiten der Menschheit sind ihnen hilflos ausgeliefert. Die United Defense Force (UDF) plant eine verzweifelte, großangelegte Invasion der französischen Küste, in der Hoffnung, das Blatt des Krieges zu wenden.

Major William Cage ist ein PR-Offizier der US-Armee, der noch nie einen Tag im Kampf verbracht hat. Als General Brigham ihm befiehlt, die Landung in der Normandie von der Frontlinie aus zu dokumentieren, versucht Cage sich zu weigern und wird prompt verhaftet, seines Rangs enthoben und zu einem vorgeschobenen Stützpunkt am Flughafen Heathrow geschickt. Dort wird er als einfacher Soldat der J-Squad von Master Sergeant Farell zugeteilt, einer Einheit von Außenseitersoldaten. In den brutalen Strandangriff geworfen, wird Cage innerhalb von Minuten getötet. In seinen letzten Momenten gelingt es ihm, einen ungewöhnlichen, großen blauen Mimic zu töten und wird von dessen Blut durchtränkt.

Anstatt zu sterben, erwacht Cage am Heathrow am Morgen des vorherigen Tages und ist gezwungen, denselben Tag immer wieder zu durchleben. Jedes Mal, wenn er am Strand stirbt, kehrt er zum selben Moment zurück. Während eines dieser Zyklen trifft er auf Sergeant Rita Vrataski, eine legendäre Kriegsheldin, bekannt als der Engel von Verdun. Im Gegensatz zu den anderen glaubt sie seine Geschichte und weist ihn an, sie in der nächsten Schleife zu finden. Als er das tut, enthüllt sie, dass sie einst dieselbe zeitresettene Fähigkeit besaß, die er jetzt hat, und die Schlacht von Verdun gewann, indem sie sie unzählige Male durchlebte. Sie verlor die Kraft nach einer Bluttransfusion.

Rita bringt Cage zu Dr. Carter, einem in Ungnade gefallenen Wissenschaftler, der die Mimic-Hierarchie erklärt. Die Kreaturen sind ein einziger Superorganismus, der von einem zentralen Gehirn namens Omega kontrolliert wird. Die Alpha-Mimics fungieren als die Unterführer des Omega; wenn ein Alpha getötet wird, setzt das Omega den Tag automatisch zurück, um seine eigene Zerstörung zu verhindern. Cage hat diese Fähigkeit unbeabsichtigt übernommen, als das Alpha-Blut in ihn eindrang. Der einzige Weg, den Krieg dauerhaft zu beenden, ist, das Omega zu lokalisieren und zu zerstören.

Über hunderte von Schleifen hinweg erträgt Cage ein hartes Training unter Rita und verwandelt sich von einem verängstigten Feigling in einen hochqualifizierten Krieger. Sie nutzen seine Vorahnung, um den Strand zu überleben und tiefer in feindliches Gebiet vorzudringen. Während sie nach dem Omega suchen, hat Cage Visionen von dessen Standort. Doch sie entdecken bald, dass die Mimics seiner Macht gewahr sind und eine Falle mit einer falschen Vision gelegt haben. Mithilfe eines Prototyp-Trackinggeräts bestimmen Cage und Rita, dass das Omega unter der Louvre-Pyramide in Paris versteckt ist.

Während ihrer Flucht aus dem UDF-Hauptquartier wird Cage schwer verwundet und erhält eine Bluttransfusion, die ihm dauerhaft die Fähigkeit raubt, die Zeit zurückzusetzen. Mit nur noch einem Leben überzeugt er Rita und die J-Squad, sich ihm auf einem letzten Selbstmordkommando nach Paris anzuschließen. Sie kämpfen sich durch den Louvre, wo sich die Einheit opfert, damit Cage das Omega erreichen kann. Als Cage tödlich verwundet wird, gelingt es ihm, einen Gürtel mit Granaten direkt in den Kern des Omega zu zünden, wodurch die zentrale Intelligenz zerstört und alle Mimics auf der Erde sofort deaktiviert werden.

Sterbend in der Explosion wird Cage erneut vom außerirdischen Blut umhüllt. Er erwacht in einem Helikopter über London, zwei Tage bevor die Invasion beginnen sollte. In dieser neuen Zeitlinie verkündet General Brigham, dass ein massiver Energieimpuls in Paris die außerirdische Bedrohung neutralisiert hat. Cage trifft am Heathrow ein, wo die J-Squad lebendig und wohlauf ist und er immer noch Major ist. Er findet Sergeant Rita Vrataski auf einem Übungsplatz. Sie erkennt ihn nicht, aber als sie ihn kühl begrüßt, lächelt Cage einfach, wissend, dass der Albtraum endlich vorbei ist.