源代码讲述了一位在阿富汗执行任务的美国空军飞行员柯尔特·史蒂文斯，醒来时发现自己正处在一辆前往芝加哥的火车上，并就此经历的一系列惊心动魄的事件。
史蒂文斯原本正在阿富汗执行任务，醒来时却发现自己正在一辆前往芝加哥的列车上，并且连身份都不是自己了，而是一个叫肖恩的教师，和一位叫克里斯蒂娜的女子结伴同行。
列车在即将到达芝加哥的途中发生了爆炸，史蒂文斯再度醒来的时候，发现自己在一个看似驾驶舱的密闭空间里，没有其他人，只有一个电视屏幕，上面有个穿着军装的女子——古德温在和自己说话。
还有一位拄着拐杖的，看上去像负责人的秃顶大叔，他们告诉他，他刚才出现的爆炸列车，是发生在不久前的一场恐怖袭击，而这只是一系列恐怖袭击的开始，科学家们已经研究发现人类在死后的8分钟，意识尚存，他们已经成功研发出名为“源代码”的政府实验项目，可以让史蒂文斯不断的穿越回发生爆炸的前8分钟的肖恩的意识里，去寻找犯罪嫌疑人，阻止接下来的恐怖袭击。
即使每次穿越很痛苦，即使史蒂文斯并不愿意执行这次任务，但是他别无选择，还是一次次的被“送回”那趟列车。
史蒂文斯在每次的穿越过程中，偷偷的搞清楚在自己身上究竟发生了什么，而得到的结果竟然是：他，史蒂文斯上尉，在阿富汗执行任务中牺牲了，得知真相后的史蒂文斯，知道自己没有生的可能，不想再一次次的承受这样痛苦的折磨，他只想得到解脱。
为了让史蒂文斯顺利的完成这次任务，秃顶大叔答应他，只要能够抓到恐怖分子，阻止接下来的恐怖袭击，就让他“死去”。在一次次的“8分钟”探索中，史蒂文斯终于找到了恐怖袭击的犯罪嫌疑人，政府顺利的抓获了嫌疑人，制止了更大的伤亡。
但就在这一次次的“8分钟”中，史蒂文斯对肖恩的朋友，那个与他生死与共，出生入死多次的克里斯蒂娜产生了感情，他想要在死前，做最后一件事情，阻止列车爆炸，拯救那列车上的无辜人。
但是秃顶大叔并不同意，如果列车没有爆炸过，他的“源代码”项目就不可能被提上议程，更不可能成功实施，他的项目就永远都停留在试验阶段，没有用武之地。
史蒂文斯只能求助于古德温，那个正义、善良的女军官，动之以情晓之以理，古德温最终同意帮助史蒂文斯，她把史蒂文斯再一次送回了列车。
古德温本来是想在8分钟结束后，就关闭维持史蒂文斯大脑工作的设备，让史蒂文斯真正的得到解放，这也是原先秃顶大叔承诺史蒂文斯的，然而，在任务得到成功后，名和利双收的秃顶大叔反悔了，他让古德温将史蒂文斯格式化，而不是关闭。
古德温假装执行秃顶大叔的命令，将实验室的门由内反锁，等着史蒂文斯完成他的8分钟。再一次回到列车的史蒂文斯，找到炸弹，关闭了爆炸装置，也找到恐怖分子，并在将他交给了警方。
他还打电话给了他父亲，因为一直以来他和父亲的关系都很紧张，这通电话化解了他们之间的误会与矛盾，冰释前嫌。在8分钟的尾声，他向克里斯蒂娜表明了心意，用一个吻结束一切。本以为救下全车人后，史蒂文斯的生命终止了，却以肖恩的身份活了下来。