En el año 2035, un virus mortal ha arrasado la humanidad y los supervivientes viven bajo tierra. Un convicto llamado James Cole se ofrece como voluntario para viajar al pasado y averiguar el origen de la plaga. Su misión es encontrar al 'Ejército de los Doce Monos', una organización terrorista que se cree que liberó el virus. Sin embargo, su viaje se complica por los errores temporales, las visiones recurrentes y la duda sobre su propia cordura. Con la ayuda de una psiquiatra llamada Kathryn Railly y un loco llamado Jeffrey Goines, Cole intenta salvar el futuro antes de que sea demasiado tarde.