Le capitaine Colter Stevens (Jake Gyllenhaal) a pour mission d'identifier le poseur de bombe qui a détruit un train quelques heures auparavant et qui prévoit de tuer des milliers d'autres personnes par une explosion beaucoup plus importante en plein cœur de Chicago.

Un programme top secret, appelé "Source Code", permet à Colter d'exister brièvement en tant qu'autre homme dans la réalité parallèle du train de banlieue en perdition. Chaque fois qu'il retourne dans le train, Colter n'a que huit minutes pour découvrir l'identité du poseur de bombe. Plus il apprend, plus il est convaincu qu'il peut empêcher l'explosion mortelle de se produire - à moins que le temps ne vienne à manquer.