27 jaar nadat een virus een groot deel van de mensheid vernietigde, sturen wetenschappers een man (James Cole) terug naar 2015 om het uitbreken van de plaag te stoppen. Cole's enige aanwijzing is een viroloog, die de gevaarlijke bron van de uitbraak kent.

Het spoor van een mysterieuze organisatie genaamd "Army of the 12 Monkeys" leidt Cole naar een psychiatrische instelling in 2015, waar een patiënt kostbare informatie lijkt te bezitten. Ondanks waarschuwingen dat haar betrokkenheid de loop van de geschiedenis kan verstoren, riskeert Dr. Railly haar leven om hem te helpen.

Cole's zoektocht naar de locatie van het virus leidt hem naar 2014, tijdens een verwoestend moment in Dr. Railly's leven, vanwege een gevaarlijke uitbraak in Haïti.

Cole en Dr. Railly gaan de confrontatie aan met het leger van de Twelve Monkeys wanneer ze beiden de 'Night Room' ontdekken, een geheim lab waar het virus is opgeslagen dat op een dag de wereld zal vernietigen.

Wanneer de tragische gebeurtenissen in de 'Night Room' een alternatieve realiteit in 2043 creëren, riskeert Cole zijn toekomst.

Cole, Dr. Railly en Aaron maken haast om tegen te gaan dat het virus in Tsjetsjenië gebruikt wordt als biochemisch wapen.

Het onderdeel dat de tijdmachine van genoeg kracht voorziet raakt langzamerhand uitgeput. Om Cole terug te krijgen uit het verleden, moet Jones haar voormalige collega's ervan zien te overtuigen haar te helpen met haar missie.

Cole bevindt zich in 2017, midden in de uitbraak van de plaag. Ondertussen moet Jones een drastische beslissing nemen om ervoor te zorgen dat de tijdmachine bruikbaar blijft.

Tumult ontstaat wanneer Ramse er alles aan doet om zijn familie te beschermen, en hij Cole met de nodige problemen opzadelt.

Cole gaat terug naar Tokyo in 1987, in een laatste poging om de "Army of the 12 Monkeys" te stoppen.

Aangezien Cole ten onder lijkt te gaan aan de bijwerkingen van het tijdreizen, moet Railly de enige persoon zien te vinden die hem kan helpen.

Cole en Railly proberen hun vijanden nog één keer tegen te houden, terwijl Jones met een nieuwe dreiging te maken krijgt.