十二猴军团追杀拉姆齐，岂料拉姆齐和科尔结盟反而干掉十二猴军团杀手，然而见证者的插手让科尔二人陷入危机跳桥逃生。凯西回到2043年，琼斯治好她的重伤。信使以瑞丽的性命要挟，琼斯用时空机器让六名信使重返过去。卡尔曼为拉姆齐摘除跟踪器，他想要趁机将拉姆齐出卖给十二猴军团。瑞丽利诱迪肯达成合作，打败信使救出琼斯。詹妮弗带着病毒出现在单身派对上，她要求相亲对象杀死她拯救世界。

瑞丽穿越而来奉命杀死詹妮弗，科尔以真情打动詹妮弗交出病毒。科尔销毁所有病毒，未来世界随之发生改变。科尔拒绝杀死詹妮弗，瑞丽带着拉姆齐返回未来。新未来仍旧存在灭世病毒，琼斯认为信使穿越过去制造瘟疫。2016年科尔和詹妮弗入住艾默生酒店，却得知他在1944年买下酒店的房间。詹妮弗受到精神操控，她似乎可以预知科尔的未来。拉姆齐知晓儿子依然存在，琼斯被女儿军团绑架。

信徒返回1944年酝酿阴谋，他们奉命刺杀克劳福德教授，瑞丽随即陪伴科尔返回这一年去阻止刺杀行动。科尔携瑞丽参加大学宴会，却没能及时阻止信使施展美人计暗杀克劳福德。科尔意外发现死者并非真的克劳福德教授，信使真正的目标是死者的儿子托米。托米拥有预言能力及时避开信使追杀，岂料信使绑架科尔，信使用托米的遗骨杀死托米，恐怖的红色森林由此在未来诞生。

科尔和瑞丽被困在1944年，拉姆齐为救他们展开时间旅行，岂料他穿越后就遇到车祸重伤住院。拉姆齐打电话被护士挂断，科尔接到一个没有声音的电话。拉姆齐接受治疗来迟一步又被信使绑架，他没能阻止托米的死亡。科尔和瑞丽被当成信使的替罪羊逮捕，拉姆齐救出他们。琼斯和科尔在不同时空查出真相，十二猴军团用托米的遗骨杀死托米，是为了制造悖论摧毁时间。

见证者让奥利维亚帮助瑞丽，奥利维亚反抗命令却遭到惩处。詹妮弗要瑞丽穿越回2016年寻找另外一个基数，借此阻止十二猴军团毁灭时间。迪肯冷酷杀死反叛者，科尔将他出卖给敌人。詹妮弗童年精神无法控制，母亲试图将她溺死在浴缸里。瑞丽得知凯尔也是基数，不久她被捕受到十二猴军团的洗礼。詹妮弗发现见证者的预言得知自己死在2044年，随后她设法救出瑞丽。

1975年的杀人狂凯尔是一名基数，两名信使已经穿越去刺杀他，科尔和拉姆齐奉命穿越去保护凯尔。凯尔袭击谋杀梅森，科尔救了梅森遂改变历史。凯尔劫持人质被警方围捕，凯尔声称知晓见证者行踪，科尔随即强行从警方手中带走凯尔。2016年亚伦复活出现在瑞丽面前，瑞丽却发现他是见证者的化身，见证者为求永生要摧毁时间。凯尔口中的见证者其实是信使，科尔最终亲手杀死凯尔。

瑞丽从2016年回到科学站，却不断产生看到见证者的幻觉，琼斯证实2016年确实存在另一个穿越者。时间机器遭到破坏，科学站惊悉异时空的人类。山姆父子遭到袭击，见证者操控瑞丽抓走山姆。科尔冒险从地下河接近瑞丽，异时空人类却险些破坏计划。爱克兰舍身修理时间机器，琼斯目睹丈夫化为灰烬。科尔和见证者直面对峙，他甘愿伤害自己唤醒瑞丽。拉姆齐关闭磁心，山姆被卷入未知时空。

琼斯为了抹灭时间旅行的根源，下令谋杀2020年的自己。瑞丽返回2020年杀死刚刚丧女的琼斯，岂料时间又重新回到她刚穿越到这一天的时候，这一次科尔也穿越而来。瑞丽和科尔遇到詹妮弗，原来杀死琼斯就会导致时间自行重置。瑞丽意外救活琼斯本该死去的女儿，再一次让时间循环重复。时间需要琼斯制造出穿越机器，瑞丽和科尔巧妙打破时间循环回到科学站，他们让琼斯见到早已死去的女儿。

时间风暴吞噬一个人类幸存者基地，科尔回到2016年拯救最后的一名基数。詹妮弗成立鬣狗对付十二猴军团，科尔得到鬣狗的帮助。彼得斯是瘟疫病毒的制造者，科尔为修正时空没有杀死他，反而利用他设局诱捕高个子。鬣狗逼迫彼得斯向世界公开瘟疫真相，高个子制造爆炸将他们尽数诛杀。瑞丽想要寻获见证者的藏身地泰坦，她和拉姆齐被迫做真心话游戏，最终得知泰坦和基施纳有关。

时空风暴即将在五天内吞噬科学站，科尔想要回到1957年阻止工厂爆炸引发的时空悖论，瑞丽和拉姆齐却坚决要求回到1961年找到泰坦杀死见证者。科尔被挚友背叛错误抵达1961年，瑞丽和拉姆齐抓捕基施纳却陷入险境，科尔及时救出他们。基施纳制造了灭世的信使，科尔一行决定摧毁样本毁灭信使。样本信使就是年幼的奥利维亚，科尔看到见证者写下的未来。

时空风暴开始席卷科学站，科尔希望回到1957年阻止时间悖论。拉姆齐发动袭击想要控制时光机器寻找泰坦，科尔却无法对他痛下杀手。科尔向詹妮弗求助，女儿军团随即点燃战火重新夺回科学站。迪肯和拉姆齐打斗却开枪误杀詹妮弗，女儿军团誓要血洗科学站。科尔穿越将2016年的詹妮弗带到未来，年轻的詹妮弗见到濒死的自己并得知结局的秘密，她决定穿越时空风暴追杀见证者。

科尔和瑞丽来到1957年，却没找到基数。安娜侦察认为泰坦并不存在，女儿军团和拉姆齐爆发武力冲突，詹妮弗放弃追杀见证者带着女儿军团离开。科比怀疑临时工是基数，然而这是信使查理的圈套。查理的妻子才是基数，科尔亲眼目睹查理杀死妻子制造时空悖论。科尔放弃使命建造房屋，瑞丽发现这栋房子和十二猴军团的预言有关。拉姆齐一行找到见证者，却寡不敌众最终全军覆没。

1959年瑞丽怀科尔的孩子，然而时间不断突然停滞，基数莉莲声称时间正在消失崩塌。莉莲让科尔阻止1957年的时空悖论，然而这会让瑞丽和孩子不复存在，她又警告科尔不能去泰坦救拉姆齐。科尔穿越时间乱流杀死查理阻止时空悖论，随后和瑞丽回到2044年。科尔和伙伴前往泰坦救回本该丧命的拉姆齐一行，然而瑞丽却被泰坦传送到2163年，她终于得知见证者的身份。