El capitán Colter Stevens (Jake Gyllenhaal) se despierta de un sobresalto en el interior de un tren de cercanías de Chicago. Aunque todos los demás pasajeros parecen conocerlo él no tiene absolutamente ninguna idea de dónde está o, incluso, de quién es. Lo último que recuerda es estar volando en helicóptero durante una misión en Irak, pero aquí parece ser alguien que va a trabajar por la mañana como un día cualquiera. Pero antes de que puede hacer cualquier cosa un tren se acerca por la vía contraria y explota una bomba que aparentemente mata a Colter y a todos los demás pasajeros.

Entonces Colter entra en una cámara de aislamiento, atado a una silla y vestido con su traje militar de vuelo. Todavía no tiene idea de lo que está pasando, sólo que está siendo interrogado por la controladora de la misión Goodwin Carol (Vera Farmiga), que con calma recita de memoria una serie de preguntas ante las que Colter se sorprende al darse cuenta de que se sabe las respuestas. Él se entera de que es parte de una operación llamada Castillo Asediado, pero antes de que pueda progresar más Goodwin de nuevo pone en marcha la maquinaria y de repente...

... Colter está de vuelta en el tren, exactamente en el mismo lugar que apareció por primera vez allí, una vez más a toda velocidad por Chicago con el mismo grupo de viajeros. Colter se figura que está en algún tipo de ejercicio de simulación y con la tarea de encontrar al terrorista a bordo del tren antes de que la simulación se apague de nuevo. Viviendo la explosión una y otra vez, Colter debe descubrir la identidad del atacante al tiempo de averiguar cuales son los límites que ofrece el universo alternativo de Castillo Asediado, sumando al rompecabezas las posibilidades de una segunda oportunidad para hacer las paces con su padre y de encontrar una posible pareja entre los viajeros del tren.