在2035年的未来，世界因一场由“十二猴子军”释放的病毒而沦为废墟。幸存者在地下苟延残喘，由科学家组成的委员会决定派遣囚犯詹姆斯·科尔返回1996年，以查明病毒的起源并阻止灾难发生。科尔的首次穿越出现偏差，来到了1990年并被关入精神病院。在那里，他结识了精神病医生凯瑟琳·雷莉。雷莉起初认为他的末世预言是妄想，但随着科尔一再穿越并带来未来信息，她的信念开始动摇。科尔的任务指引他追踪一个名为“十二猴子军”的神秘组织。在调查中，他遇到了自称“见证者”的杰弗里·戈因斯，其父正是著名的病毒学家。线索似乎指向了戈因斯博士的实验室，但真相远比表象复杂。影片通过科尔支离破碎的时间跳跃，模糊了现实与幻觉的界限。最终揭示出，所谓的“十二猴子军”并非真正的元凶，而是一个悲剧性的误会。科尔在试图阻止他认为的“真凶”时，无意间促成了病毒学家的儿子——那位真正的零号病人——的诞生，从而构成了一个无法挣脱的因果闭环。影片结尾，科尔在机场目睹了年幼的自己和病毒学家，明白自己无法改变过去。他最终死于1996年，成为了历史的一部分，而雷莉博士则在机场看到了他留下的线索，证明了他的故事真实不虚。这部影片深刻探讨了命运、时间与记忆的哲学命题。