Il pilota di elicotteri dell'aeronautica statunitense Colter Stevens si sveglia su un treno di pendolari in viaggio verso Chicago. L'ultima cosa che ricorda è di essere stato in missione in Afghanistan. Scopre che alle altre persone, tra cui la sua compagna di viaggio Christina Warren, appare come Sean Fentress, un maestro di scuola. Mentre cerca di risolvere l'enigma, il treno esplode, uccidendo tutti a bordo, deragliando e scontrandosi con un treno cisterna che viaggia nella direzione opposta.
Stevens riprende conoscenza all'interno di una sorta di cabina di pilotaggio da cui non può uscire. Attraverso uno schermo, il capitano dell'Air Force Colleen Goodwin verifica l'identità di Stevens e gli spiega che si trova nel "codice sorgente" , un dispositivo sperimentale creato dal dottor Rutledge, scienziato che lavora per la Beleaguered Castle (una unità militare), che permette ai propri utilizzatori di vivere gli ultimi otto minuti di vita di una persona all'interno di una linea temporale alternativa. A Stevens viene quindi spiegata qual è la sua missione: utilizzare il Source Code per scoprire l'ubicazione di una bomba a bordo del treno e per individuare chi la fa esplodere. Goodwin spiega che l'esplosione del treno è avvenuta quella mattina e che rappresentava un avvertimento da parte dell'attentatore di un più ampio attentato con un dispositivo nucleare che verrà fatto esplodere nel centro di Chicago. Anche se le azioni di Stevens non possono cambiare il passato e salvare la vita delle persone a bordo del treno, identificando l'attentatore nella timeline alternativa impedirà almeno la morte di altri milioni di cittadini innocenti.
Stevens entra nel codice sorgente più volte e continua a scartare i passeggeri sospettati di essere l'attentatore, e stringe una relazione con Christina. Nel corso di questi "salti", viene a sapere che questi eventi si sono verificati due mesi dopo un incidente in cui la sua unità militare era rimasta coinvolta e che aveva portato alla sua morte. Una volta scoperto il suo destino, richiede una spiegazione alla Goodwin la quale è così costretta a spiegare che lui è in realtà deceduto, che i resti del suo corpo si trovano in un impianto presso una sede militare e che la sua mente è collegata ad un sistema informatico tramite il quale stanno comunicando. La cabina dentro cui Stevens si trova è solo una proiezione della sua mente. Adirato, Stevens fa un patto: egli completerà la missione ma vuole che i supporti che tengono ancora in vita il suo cervello vengano definitivamente disattivati al suo completamento. Il dottor Rutledge si dichiara d'accordo.
Una volta tornato a bordo del treno, Stevens assicura che la bomba venga disinnescata e consegna l'attentatore alle autorità. Quindi manda una e-mail alla Goodwin, poi chiama suo padre fingendosi un suo commilitone. Infine, prima che gli otto minuti finiscano, prende Christina da parte e si prepara a baciarla. Come promesso, Goodwin disabilita il suo supporto vitale, in una scena che rivela la vera condizione del suo corpo che risulta gravemente mutilato e in stato comatoso. Stevens però comprende che gli otto minuti sono passati, e si rende conto che è rimasto nella linea temporale alternativa. Il treno arriva tranquillamente a Chicago, e lui e Christina cominciano a camminare insieme discutendo del loro futuro. Nella scena finale la Goodwin dell'universo alternativo riceve sul cellulare l'e-mail inviata da Stevens che le rivela che il sistema del Source Code ricrea non soltanto la timeline del ricordo, bensì un intero universo alternativo e quella e-mail ne è la prova.
