Het laatste wat de Amerikaanse piloot Captain Colter Stevens (Jake Gyllenhaal) zich nog kan herinneren is een helikoptercrash in Afghanistan. Daarna schrikt hij wakker in een trein met een wildvreemde vrouw tegenover zich, die hem voor iemand anders aanziet. Verward trekt Colter zich terug in de wc, waar hij in de spiegel ontdekt dat hij in het lichaam van een andere man zit. Terwijl hij zijn reisgenote Christina (Michelle Monaghan) duidelijk probeert te maken dat hij echt geen idee heeft wie ze is, gaat er een bom af.

Wanneer Colter vervolgens zijn ogen weer opent treft hij zichzelf in uniform aan, vastgebonden in een kleine cabine. Via een videomonitor wordt hij toegesproken door vrouwelijke commandant Goodwin (Vera Farmiga), die hem uitlegt dat het zijn missie is in de trein op zoek te gaan naar de dader van de bomaanslag. Na korte instructies stuurt Goodwin hem keer op keer terug in de Source Code, waar Colter exact dezelfde acht minuten telkens weer opnieuw beleeft om zo te kunnen achterhalen wie van zijn medepassagiers de terrorist is.