1928年，伪满洲国的日本翻译伊丹英彦（仲村亨）离开中国情人丁慧（章子怡）返回日本，数年后他再回中国来到上海时，变身高级特务。而此时丁慧已成为地下抗日组织的成员，并与该组织首领谢明（冯远征）相爱。抗日组织去火车站接从外地聘请的暗杀日本情报人员山本的杀手时，误认其为小职员司徒（刘烨），混乱中，丁慧杀死司徒女友依玲（李冰冰），司徒则被伊丹英彦抓获。对一系列遭遇无比迷惑的司徒被释放后，发誓要为依玲报仇。丁慧与伊丹英彦重逢，成为两股势力互相设局要利用的重要棋子，她本人正为误杀无辜饱受内心折磨。某个日本会所举办的舞跃迁管理局是专门管理非法穿越时空者的机构，秉承“历史车轮转，事事不能乱”的原则，把非法穿越时空的人带回到正常时间节点，以防更改历史的事情发生。陈零与欧阳壹是一对搭档，分别是管理局的中级执法者和低级办事员，一起执行任务。由于欧阳壹年轻，执着，又被陈零拥有仿真智能机器人刺激，被同事嘲笑，愤愤不平，决定单独执行任务，身为朋友和上司的陈零不放心，于是带上机器人紫芯一起回到两年前的一天，帮助欧阳壹执行任务。可当第一次顺利带回非法跃迁者李川后发现，被带回的李川再一次回到了两年前，任务失败，两人只好再次回到过去，去探查