Dans un futur proche, des hordes d'extraterrestres ont livré une bataille acharnée contre la Terre et semblent désormais invincibles : aucune armée au monde n'a réussi à les vaincre. Le commandant William Cage, qui n'a jamais combattu de sa vie, est envoyé, sans la moindre explication, dans ce qui ressemble à une mission-suicide. Il meurt en l'espace de quelques minutes et se retrouve projeté dans une boucle temporelle, condamné à revivre le même combat et à mourir de nouveau indéfiniment...