События фильм начинаются в 2035 году. Около пяти миллиардов человек уничтожил неизлечимый вирус. Те, кому удалось выжить, были вынуждены переместиться под землю. В подземной тюрьме отсиживает свой 25-летний срок бандит Джеймс Коул, который был осужден за неподчинение властям. Коула выбирают «добровольцем» и отправляют на поверхность собирать образцы биологической жизни в заброшенном городе. Если он оправдает оказанное ему доверие, то ему обещают уменьшить срок.
Хосе, приятель Коула, сидящий в соседней камере, советует ему не бунтовать, так как есть небольшой шанс, что Коулу повезет и ему на самом деле скостят срок. Коул успешно справляется с первым заданием. После этого ему предлагают более серьезное задание, а взамен его ждет амнистия. Коула перемещают во времени в 1996 год, незадолго до того, как началась эпидемия. Он должен выяснить – с чего все началось.
Коул по ошибке попадает в Балтимор в 1990 году, а не в 1996 году. Коул оказывается без одежды на улице. Он начинает кричать о каком-то вирусе, ведет себя неадекватно, не понимает, в каком времени он находится. Его принимают за психа. Когда его пытаются утихомирить сотрудники полиции, он ведет себя крайне буйно. Коула арестовывают, вкалывают ему большую дозу сильного успокоительного, после чего передают его в психушку. Там он попадает под наблюдение молодой девушки-врача Кэтрин Рэйли.
В лечебнице Коул знакомится с Джеффри – сыном известного ученого-вирусолога и борцом за права животных. Коул пытается предупредить людей о надвигающейся опасности, но его слова не имеют никакого эффекта. У Коула закрадываются подозрения, что Джеффри может быть как-то причастен к распространению вируса. Коул звонит по номеру для связи и передает сообщение в свое время. Джеффри достает ключ, используя который, Коул пытается сбежать. Беглеца ловят и сажают в карцер. Оттуда Коула забирают обратно в его время. Сотрудники лечебницы недоумевают, куда он пропал.
Коул докладывает о своем путешествии и о случившейся ошибке. Власти не очень довольны им, но дают ему второй шанс. Его еще раз отправляют в 1996 год, однако в очередной раз происходит ошибка, и Коул попадает в окопы периода Первой мировой войны. Там он встречает Хосе, которого также по ошибке отправили в то время. Коула ранят в ногу.
Наконец Коулу удается попасть в 1996 год. Он находит своего врача – Кэтрин. Та ведет лекцию о синдроме Кассандры. Коул похищает девушку. Кэтрин привоз Коула к небольшому магазину, где присутствуют члены из группировки Джеффри. Пытаясь разыскать какие-то улики, герои сталкиваются с грабителями. Коул расправляется с ними. Затем они отправляются в отель. Коул сообщает Кэтрин, что он где-то видел ее еще до того, как они познакомились. Кэтрин трудно поверить в то, что Коул прибыл из другого времени. Вытащенная из ноги Коула пуля времен Первой мировой войны ошарашивает ее. Она помогает Коулу приехать в особняк отца Джеффри. В особняке Коул встречается с Джеффри. Затем приезжает полиция, но Коул вовремя исчезает.
Кэтрин занимается поисками Коула и «Армии 12 обезьян», о которой Коул постоянно твердил. Вскоре Коул вновь находит Кэтрин. Девушка помогает ему скрыться от полиции. Герои отправляются в отель. По дороге они сталкиваются с бродячим проповедником, который сходу распознает в Коуле путешественника во времени. В отеле Кэтрин принимают за проститутку, а Коула за ее клиента. К ним врывается возмущенный сутенер. Избив сутенера, Коул удаляет себе зуб, в котором находился передатчик. Коул не хочет возвращаться в свое время. Он хочет остаться в этом времени вместе с Кэтрин.
Забрав у сутенера деньги, герои покупают себе новую одежду. Затем они переодеваются и накладывают грим в кинотеатре. Далее они отправляются в аэропорт. Там Коул делает звонок. Он передает в свое время сообщение о том, что «Армия 12 обезьян» не причастна к распространению вируса. Неожиданно Коула находит Хосе и передает ему пистолет. Выясняется, что вирус намеревается выпустить не безумный Джеффри, а помощник его отца – доктор Питерс, который приходил на лекции Кэтрин.
Коул слишком поздно понимает, кто истинный виновник эпидемии. Коул и Кэтрин настигают Питерса в аэропорту. Прорвавшись через очередь, Коул бежит к Питерсу, вытаскивая пистолет. Однако полиция убивает его раньше, чем он успевает сделать выстрел. Кэтрин в ужасе подбегает к убитому Коулу. За всей этой сценой наблюдает маленький мальчик, который вместе с родителями стоит в очереди. Этот мальчик и есть Коул. А увиденная сцена не выходила у него из головы всю жизнь. Кэтрин плачет. Она находит мальчика глазами и улыбается ему. Питерс улетает на самолете с образцами вируса в чемодане, планируя распространить его по всей планете.
В самолете рядом с Питерсом садится женщина – одна из ученых, которые отправили Коула обратно во времени. Юный Коул садится в машину с родителями. Самолет взлетает, а мальчик провожает его глазами.
