在一座即将废弃的南方重工业小城里，委身于继母阴影下长大的少女水青（李庚希 饰），渴望见到素未谋面的亲生母亲曲婷（万茜 饰）。十七年后，曲婷的突然归来给水青缺爱的青春带来了温暖与快乐，她很快就融入了水青的生活，与水青及其闺蜜们组成了“青春兔子帮”，四个姑娘一起度过了一段自由奔放的时光。然而一个神秘男人老杜（黄觉 饰）的到来打碎了这来之不易的幸福，也揭开了曲婷不为人知的另一面。为了捍卫失而复得的母爱，水青决定放手一搏，哪知冲动的行为却闯下大祸，事情逐渐变得不可控制……

故事发生在一座名为“东城”的小城之中，梅尔（凯特·温丝莱特 Kate Winslet 饰）是在那里生活和工作的一名警探，每一天，梅尔都要处理镇子上发生的各种各样的琐事，这些事情堆积到一起，难免令她感到身心疲惫。
某日，一起谋杀案的发生打破了小镇的宁静气氛，一位名叫艾琳（卡莉·史派妮 Cailee Spaeny 饰）的少女妈妈被人发现死在了河滩上。一段流出的视频显示，艾琳在死亡当天，曾经遭到过前男友迪伦（杰克·马赫恩 Jack Mulhern 饰）和其现任女友布里安娜（麦肯齐·兰辛 Mackenzie Lansing 饰）的霸凌，梅尔毫不犹豫拘捕了两人。这桩案件带来的影响犹如蝴蝶效应一般迅速席卷了整个小镇，一时之间，梅尔身边的所有人似乎被卷入了案件之中。

在阿富汗执行任务的美国空军飞行员科特史蒂文斯上尉（杰克·吉伦哈尔 Jake Gyllenhaal 饰）突然惊醒，发现自己在一辆高速行驶的列车上，而他的身边坐着一个素不相识的女子克里斯蒂安（米歇尔·莫娜汉 Michelle Monaghan 饰）正在与自己讲话。科尔不知自己为什么会在这辆车上，而且他发现自己居然是以另一个人的身份存在，正当他迷惑不解的时候，列车上忽然发生爆炸……
科特又一次惊醒，发现自己身处一个密闭的太空仓里，有一位女军官古德温（维拉·法米加 Vera Farmiga 饰）正在通过视频和自己对话，并要求自己报告列车上发生的事情。一头雾水的科特还没搞明白是怎么回事时，他又一次被送上那辆列车。这次之后，科特终于明白自己在执行一件任务，负责调察芝加哥火车爆炸案找到恐怖份子并查出他的下一个目标。科特被一次又一次的送上那辆高速列车，每次只有八分钟的时间调察，调察过程中，科特发现自己已在一周前去世，原来他正在参与是一项“脑波原代码”的秘密任务，这项任务通过已经死亡的科特尚未完全死亡的脑细胞影像来还原事件，调查事情的真相。最终，科特顺利完成了任务，但是他却决定再一次返回列车，拯救列车上那些无辜的生命……

莱纳•谢尔比（盖伊•皮尔斯 饰）在家遭到歹徒的袭击，妻子被残忍的奸杀，自己脑部也受到严重的伤害。醒来后，他发现自己患了罕见的“短期记忆丧失症”，他只能记住十几分钟前发生的事情，为了让生活继续下去，更为了替惨死的妻子报仇，他凭借纹身、纸条、宝丽来快照等零碎的小东西，保存记忆，收集线索，展开了艰难的调查。