Le soldat Colter Stevens se réveille dans le corps d'un inconnu, à bord d'un train, à destination de Chicago, qui est sur le point d'exploser. Colter participe à une expérience secrète du gouvernement dénommée « Source Code ». Ce programme lui permet de revivre les derniers instants de la vie d'un individu. Sans cesse, on le force à se replonger dans les 9 minutes précédant l'attentat qui vise le convoi. Sa mission : trouver des indices pour découvrir qui a placé la bombe.