1895年，美国纽约，哥伦比亚大学的副教授亚历山大·哈德金博士（盖·皮尔斯 饰），人近中年却仍抱有着孩童一般的好奇心和求知欲，满脑子旁人看来稀奇古怪的理论。这些理论从来得不到校长的赏识，总是被看作“不切实际的幻想”而打入冷宫。纵使如此，亚历山大还是决定自行建造一部时间机器来向世界证明人类完全可以在时空中穿梭旅行。为了避免冒然改变过去所可能造成的逻辑混乱和时空崩塌，哈德金全力着手飞向未来的计划。整个建造过程都进展得非常顺利，亲手建造的机器终于完美地启动，时间如流水般划过，世界以惊人的速度变化，时间旅程展现出一幅幅奇丽而又壮观的景象。时间机器载着他成功地抵达了第一个目的地——2005年的纽约。时间机器的降落地点已经不是他出发时的实验室，纽约周遭环境的改变更是让他大吃一惊。公众图书馆变成了彻底的虚拟真人交互式访问系统。人们所热衷谈论的，是关于在月亮上建立新殖民地的雄伟计划。受到科学家本能的好奇心趋使，亚历山大迫不及待地动身前往另一个未来——2007年。的确，没有什么比看到人类成功殖民月球更激动人心的了。谁也没有料到，在未来等待着他的是如此难以想象的险境。人类的殖民计划出了大问题，肉眼就可以察觉天空中的月亮已经变得比过去大得太多。事实上殖民计划给月亮带来不可逆转的伤害，月球的运行轨道正在下降，很快将坠入地球。来自月亮的碎片轰击着纽约的曼哈顿区，人们匆忙逃入建立在地下的防空洞中想躲过这场大灾难。为了逃离可怕的地球生物浩劫，亚历山大调整他的机器来到年代更加久远的802701年。当然，跨越一个冰河纪的地球早已彻底改变了模样。不过人类顽强的生命力似乎使一部分人熬过了浩劫，生存下来。他首先遇到了和平、友好、温和有礼貌的伊洛（Eloi）人。不过就在亚历山大以为地球的一切已经恢复了正常的时候，他们却又遭遇到穴居地底、近乎于怪兽、以捕猎伊洛人为生的莫洛克（Morlock）人。为了解救被莫洛克人掳走的伊洛人玛拉（萨曼莎·穆巴饰），亚历山大只身犯险，前往寻找莫洛克人的巢穴。在路上他得到了生化机械人沃克斯（奥兰多·琼斯饰）的帮助，来到了被奉为神圣遗迹的纽约地下铁。在这个充满讽刺的地方，亚历山大却发现了隐藏在莫洛克人和伊洛人背后的邪恶秘密  。