1988年，费城发生数起同时失血致死的案件，他们的大脑碎裂，造成大量失血。警官托马斯·洛克哈特（波伊德·霍布鲁克饰）和他的搭档马多克斯（博基姆·伍德拜因饰）与洛克哈特的妹夫霍尔特警探（迈克尔·C·霍尔饰）一起调查此案。洛克哈特发现每名受害者身上都有类似的穿刺伤，于是断定这些死亡事件之间存在关联。毒理学报告表明，一种不稳定同位素被注入了他们的脊椎骨。

洛哈特和马多克斯发现一名袭击受害者，身上有同样的伤口；在她临死前（与之前的死者一样，出血量也相同），她描述袭击者是一名手部受伤的黑人女性。洛哈特和马多克斯找到了嫌疑人，并追赶她进入地铁，在那里她制服了马多克斯。洛哈特与她对峙时，嫌疑人透露了自己的生活细节，包括他的妻子将在当天分娩。在一场搏斗前，她预言了自己的死亡，最终被火车撞死。尽管警方对许多未解之谜感到困惑（女孩左手中了一枪，子弹来自警用左轮手枪，但在追捕过程中，没有人向她开枪），但最终还是结案了。与此同时，洛哈特的妻子因难产去世。

九年后，即1997年，一个疑似模仿者再次犯下连环杀人案。洛哈特如今已是警探，正在照顾年幼的女儿艾米（昆西·柯克伍德饰），但他找不到任何明显的作案动机，也找不到受害者之间的任何联系。洛哈特追踪到1988年从凶手尸体上取下的钥匙，这把钥匙指向一架1996年制造的飞机。1997年袭击事件的监控录像显示，凶手正是1988年被枪杀的那名女子，但洛哈特认为这只是一个模仿者。物理学家纳文·拉奥（鲁迪·达玛林加姆饰）坚称这是时间旅行的证据，但马多克斯和洛哈特置之不理。追踪模仿者来到一处机场后，洛哈特震惊地发现，她就是1988年的那名嫌疑人，至今仍活着，而且没有变老。她无意中杀死了马多克斯，并将洛哈特劫为人质，再次揭露了她本不该知道的他身世。在警告马多克斯之后，她便消失了...