Dans un futur proche, des hordes d'extraterrestres ont livré une bataille acharnée contre la Terre et semblent désormais invincibles: aucune armée au monde n'a réussi à les vaincre. Le commandant William Cage (Tom Cruise), qui n'a jamais combattu de sa vie, est envoyé, sans la moindre explication, dans ce qui ressemble à une mission-suicide. Il meurt en l'espace de quelques minutes et se retrouve projeté dans une boucle temporelle, condamné à revivre le même combat et à mourir de nouveau indéfiniment… Mais à chaque salve, Cage gagne en force et en agilité pour affronter ses adversaires, aux côtés de Rita Vrataski (Emily Blunt), agent des Forces Spéciales. Tandis que Cage et Rita affrontent ensemble les extraterrestres, ils découvrent, au fil des combats qui s'enchaînent, les moyens d'anéantir les envahisseurs …