En un futuro distópico, la humanidad vive en un mundo subterráneo tras la devastación provocada por un virus mortal que ha aniquilado a casi toda la población. El protagonista, un prisionero llamado James Cole, es elegido para una misión arriesgada: viajar al pasado y descubrir la raíz de la pandemia que ha condenado a su sociedad. Gracias a una tecnología experimental, Cole es enviado a los años 90, pero la transición no es nada fácil. Al llegar, se encuentra desubicado y confundido, enfrentándose a un mundo que le resulta extraño y caótico.
Mientras intenta cumplir su misión, se cruza con una psiquiatra llamada Kathryn Railly, quien comienza a cuestionar la cordura de Cole y su historia sobre los "Doce Monos", un grupo extremista relacionado con la liberación del virus. A medida que Cole comienza a desentrañar la conexión entre el pasado y el futuro, se da cuenta de que su propia realidad está más entrelazada con el destino de la humanidad de lo que imaginaba.
La búsqueda de respuestas se convierte en un viaje frenético, mientras se enfrenta a sus propios demonios mentales y a la creciente presión de cumplir con la misión antes de que sea demasiado tarde. Con giros impactantes y dilemas éticos, la película fusiona elementos de ciencia ficción y un profundo análisis psicológico, planteando interrogantes sobre la locura, el tiempo y las decisiones que dan forma a nuestro futuro.