Действие фильма происходит в недалеком будущем. Земля подверглась нападению инопланетной расы (в репортажах СМИ пришельцы обозначены как «противник»; военные дают прозвище «мимики»). Пришельцы успели захватить Западную и часть Центральной Европы. Армии государств объединяются, понимая, что иного шанса победить нет. Единственный успех в войне был одержан накануне в битве при Вердене благодаря использованию экзоскелетов, в одном из которых простой сержант Рита Вратаски (Эмили Блант) в одиночку уничтожила более ста мимиков, за что обрела мировое признание и получила прозвище «Ангел Вердена», солдаты с уважением зовут её «Цельнометаллическая стерва» (англ. Full Metal Bitch), но этот вариант самой Вратаски не по душе.
Для набора новых рекрутов военными проводится грандиозная пиар-кампания «Ангела Вердена» в СМИ. Пресс-секретарь армии США, майор Уильям Кейдж (Том Круз) прикомандирован в Лондон, где находится штаб Западного фронта, и встречается с командующим фронтом — генералом Бригхемом (Брендан Глисон). Тот объявляет о готовящейся высадке в Нормандии и направляет Кейджа принять в этом участие. Майор Кейдж, несмотря на звание, — сугубо штатский человек, не имеет ни опыта, ни храбрости сражаться, и отказывается, говоря, что по профессии он офицер-пиарщик, а вовсе не боец. Когда генерал настаивает на его участии, он, как важная фигура в СМИ, пытается шантажировать генерала «чёрным пиаром» в его адрес. Взбешённый генерал Бригхем обвиняет Кейджа в дезертирстве и приказывает охране его арестовать. Кейдж пытается бежать, но его парализуют электрошоком.
Герой приходит в себя на военной базе в пригороде Лондона — Хитроу, где понимает, что его разжаловали в рядовые и записали в группу, которая завтра десантируется в Нормандии. Во время первого боя Кейдж встречает Риту Вратаски, но та погибает, как и все вокруг. На Кейджа нападает необычный мимик голубого цвета. Понимая, что сил победить его недостаточно, Кейдж бросается к мине и подрывает себя вместе с противником. Кровь мимика касается Кейджа за миг до гибели.
Очнувшись на военной базе в Хитроу, Кейдж понимает, что не умер. При нём сохранились все его воспоминания, и он переживает данный день снова и снова, каждый раз погибая. В очередной «жизни», когда он замечает и спасает Риту Вратаски, та просит: «Найди меня, когда очнёшься!», чем его очень удивляет. Оказывается, Рита также переживала петлю времени, но потеряла такую способность после ранения с последующим переливанием крови. Рита поясняет, что способность управлять временем, «перезагружая» день, Кейдж получил от убитого мимика типа «Альфа».
Единственный, кто понимает Риту, доктор Картер (Ноа Тейлор), в прошлом физик-микробиолог, поясняет: мимики представляют собой единую нейронную сеть, где рядовые красные пришельцы являются обычными клетками, голубые Альфы выполняют роль нервных узлов, а «центром управления» является Омега, находящаяся далеко от поля боя. Рита рассказывает, что вскоре у Кейджа будут видения, в которых он увидит, где находится этот центр. Картер добавляет, что способность управлять временем делает мимиков непобедимым противником. Рита говорит Кейджу, что он должен найти и уничтожить мозговой центр мимиков, сделав то, что не успела сделать она в Вердене.
Вскоре Кейдж видит обещанное видение и понимает, что центр нейронной сети мимиков находится на дамбе где-то в Германии. Ценой многочисленных повторений у Кейджа выходит туда добраться. Для этого он много тренируется. Рита объясняет ему, что передать эту способность другому человеку нельзя. Кейдж намекает на секс, говоря, что это может сработать, но Рита уверяет его, что проверяла этот метод, и он не работает.
В одной из версий будущего Кейдж не верит в свой успех и сбегает с базы (и с поля боя) в Лондон. Он видит как мимики захватывают Лондон, и успевает понять перед гибелью — бездействие означает, что война проиграна.
В одном из вариантов будущего Кейдж понимает, что Рита неизбежно погибает на пути до конечной цели. Предприняв все попытки сохранить ей жизнь, Кейдж выдаёт себя, и Рита, осознав это, раскрывает ему своё второе имя, намекая что теперь он тот, кому она может довериться.
Приняв решение пойти до Омеги один, Кейдж добирается до заброшенной дамбы, но не находит там Омегу, зато встречается с мимиком типа Альфа, который пытается захватить его живым. Совершив самоубийство, Кейдж возвращается на базу и рассказывает Рите и Картеру, что видения — это ловушка мимиков.
Доктор Картер рассказывает, что у него есть прототип устройства, позволяющего найти Омегу. Но для этого им нужен Альфа, а устройство находится в штабе генерала Бригхема. Рита говорит, что роль Альфы исполнит Кейдж, поскольку он обменялся кровью с пришельцем. После многих попыток Рита и Кейдж проникают в кабинет генерала и убеждают его отдать устройство. Генерал его отдаёт, но не верит им и направляет на героев охрану. Рита с Кейджем пытаются скрыться на автомобиле, Кейдж приводит в действие устройство и узнаёт, что Омега прячется в Париже, в полузатопленном музее Лувра, прямо под пирамидой. В этот момент один из охранников в экзоскелете уничтожает машину, и беглецы теряют сознание.
Кейдж приходит в себя в госпитале, прикованным к кровати. Он понимает, что ему сделали переливание крови и он потерял свою способность. В этот момент появляется Рита и освобождает его. Кейдж переменился, — он полон решимости довести дело до конца. Он убеждает свой взвод помочь ему. Герои захватывают боевой конвертоплан и летят в Париж. Возле Лувра конвертоплан подбивают мимики и солдаты на ходу прыгают из него. В живых остаётся только половина отряда. Кейдж и Рита пытаются починить разбитый конвертоплан, чтобы преодолеть на нём площадь до входа в музей. Поскольку уцелели только передние двигатели, это удаётся сделать в режиме глиссирования, оставшиеся прикрывать отход Киммел и Грифф, погибают, подорвав себя с окружившими их мимиками.
Кейдж и Рита пробираются в музей. За ними гонятся мимики. Хотя другие бойцы отряда пожертвовали своими жизнями, чтобы задержать мимиков, противники всё равно быстро догоняют и начинают забираться на вертолёт. Рита и Билл прыгают на заброшенную автостоянку под пирамидой, подорвав проход. Тут появляется Альфа, и они прячутся. Рита говорит, что отвлечёт Альфу и прощается с Кейджем, поцеловав его на прощание и посетовав, что он хороший человек, но у них не было достаточно времени сблизиться. Рита убегает, отвлекая на себя противника, а Кейдж ныряет в воду, где в затопленном зале находится Омега. Альфа убивает Риту, гонится за Кейджем и настигает его. Однако Кейдж успел выдернуть чеки из гранат и взорвать Омегу. Мимики бессильны. Рядом с уничтоженной Омегой под водой плавает умирающий Кейдж. Кровь Омеги расплывается в воде и окутывает его тело.
После этого Кейдж просыпается в вертолёте, который летит над Лондоном, ещё до первого разговора с генералом. Оказывается, кровь Омеги дала Кейджу способность управлять временем как это делала Омега. В СМИ передают сообщение о выбросе энергии в Париже и о прекращении сопротивления мимиков на всех фронтах. Кейдж помнит всё произошедшее с ним. Он отправляется на военную базу в Хитроу и снова знакомится с Ритой, но уже как майор.
