Le capitaine Colter Steve, membre d'un projet gouvernemental top secret appelé Source Code, est envoyé dans le passé pour revivre en boucle les 8 dernières minutes du passager d'un train avant que celui-ci n'explose. Sa mission : identifier les auteurs de l'attentat afin de prévenir une attaque bactériologique sur Chicago. A chaque échec, les chances de pouvoir revenir dans le passé et de corriger le futur s'amenuisent. La course contre la montre commence...