2 oktober 1988, een gewone dag in het leven van de verwarde 16-jarige Donnie Darko. Dan valt er vanuit het niets een vliegtuigmotor door het dak van z'n huis, recht in Donnie's kamer.

Alice en Darlene, beste vrienden, besluiten het behalen van hun diploma te vieren met een reisje naar Thailand. Daar raken ze bevriend met de Australiër Nick Parks, die hen overhaalt om met hem mee te gaan naar Hong Kong. Op het vliegveld worden ze echter opgepakt wegens drugssmokkel. Ze worden veroordeeld tot 33 jaar cel, en in hun wanhoop nemen ze contact op met de Amerikaanse advocaat Hank.

Luitenant John Boyd wordt tijdens de Mexicaans-Amerikaanse oorlog weggepromoveerd naar een verlaten militaire post in Californië, waar de verdere aanwezige militairen allemaal wel één of meerdere schroeven los hebben zitten. Op een avond wordt het bonte gezelschap opgeschrikt door de verkleumde zwerver Colqhoun die hen een ijselijk verhaal weet te vertellen.

Zeven jaar na de gebeurtenissen uit Donnie Darko vertrekt de inmiddels 18-jarige Samantha Darko (Daveigh Chase) samen met haar beste vriendin Corey naar Hollywood in de hoop het daar te gaan maken. De reis wordt al snel afgebroken als de twee autopech krijgen midden in een dorpje in een woestijn. Als vlakbij een meteoriet inslaat begint Samantha last te krijgen van bizarre visioenen.