1895年，美国纽约，哥伦比亚大学副教授亚历山大·哈德金博士（盖·皮尔斯 饰）虽已人到中年，却依旧保有孩童般的好奇心与求知欲，满脑子都是旁人眼中稀奇古怪的理论。这些理论从未得到校长赏识，总被当作“不切实际的幻想”而被搁置。即便如此，亚历山大还是决定自行建造一台时间机器，向世界证明人类能够在时空中穿梭旅行。为避免贸然改变过去可能引发的逻辑混乱和时空崩塌，他全力推进飞向未来的计划。整个建造过程十分顺利，他亲手打造的机器成功启动，时间如水流般飞逝，世界以惊人速度变化，时间之旅呈现出一幅幅瑰丽壮观的景象。时间机器载着他成功抵达第一个目的地——2005年的纽约。降落地点已不是出发时的实验室，纽约周边环境的改变让他大为震惊。公众图书馆变成了完全的虚拟真人交互式访问系统。人们热衷谈论的是在月球建立新殖民地的宏伟计划。出于科学家本能的好奇心，亚历山大迫不及待地前往另一个未来——2007年。的确，没有什么比目睹人类成功殖民月球更令人激动了。然而，谁也没想到，未来等待他的竟是难以想象的险境。人类的殖民计划出了大问题，肉眼可见天空中的月球比过去大了很多。实际上，殖民计划给月球造成了不可逆转的伤害，月球运行轨道正在下降，很快将坠入地球。来自月球的碎片不断轰击纽约的曼哈顿区，人们匆忙躲进地下防空洞以躲避这场大灾难。为逃离这场可怕的地球生物浩劫，亚历山大调整机器来到更为久远的802701年。当然，跨越一个冰河纪的地球早已面目全非。不过，人类顽强的生命力似乎让一部分人熬过浩劫存活下来。他首先遇到了和平、友好、温和有礼的伊洛（Eloi）人。就在亚历山大以为地球一切恢复正常时，他们却遭遇了穴居地底、近乎怪兽、以捕猎伊洛人为生的莫洛克（Morlock）人。为解救被莫洛克人掳走的伊洛人玛拉（萨曼莎·穆巴 饰），亚历山大独自冒险前往寻找莫洛克人的巢穴。途中他得到了生化机械人沃克斯（奥兰多·琼斯 饰）的帮助，来到被奉为神圣遗迹的纽约地铁。在这个充满讽刺的地方，亚历山大发现了隐藏在莫洛克人和伊洛人背后的邪恶秘密。