콜과 램지는 12 몽키즈 부대에 쫓기며 흐트러진 관계를 회복한다. 레일리는 2043년의 연구실로 보내지면서 존스와 재회하고, 메신저의 계획을 무너뜨리기 위해 디컨을 자기편으로 만들기로 결심한다.

2016년에 제니퍼를 찾아 바이러스 확산을 막은 콜은 뜻하지 않게 2016년에 남게 되고, 어떻게든 2044년으로 돌아갈 방법을 찾다가 놀라운 사실을 발견한다. 한편, 존스와 레일리 박사는 역사가 바뀐 것을 확인하고 달라진 2044년의 현실을 마주한다.

콜과 레일리 박사는 사진 속 1944년으로 시간 여행을 떠나 메신저들을 추적한다. 두 사람은 메신저들의 살인을 막으려 했지만 실패하고, 시신이 있던 곳에서 낯익은 광경을 목격한다. 한편, 존스 박사는 시설 내 안정을 위해 램지를 내보내기로 한다.

존스는 과거에 갇혀 있는 콜과 캐시를 구하려고 어쩔 수 없이 램지에게 도움을 구하고, 궁금증을 해결하기 위해 위험을 무릅쓰고 도터스를 찾아간다. 한편, 램지는 1944년으로 떠나자마자 뜻밖의 사고를 당하면서 궁지에 몰린다.

프라이머리를 죽이려는 메신저를 막기 위해, 캐시는 2016년의 제니퍼를 찾아 시간 여행을 떠난다. 제니퍼를 통해 또 다른 프라이머리를 알아내려 했지만, 몽키즈에 납치되고 만다. 한편, 2044년에 남은 콜은 램지와 함께 디컨을 시설에서 몰아낼 계획을 짠다.

콜과 램지는 1975년으로 떠나 메신저들로부터 프라이머리를 지키기로 하지만, 문제의 프라이머리가 악명 높은 연쇄 살인범이라는 사실을 깨닫고 고민에 빠진다. 한편, 캐시는 호텔에서 제니퍼를 돌보다가 뜻밖의 인물과 마주친다.

캐시는 2044년으로 돌아와 목격자를 본 사실을 보고하고, 계속해서 목격자의 환영에 시달린다. 한편, 기계를 점검하던 중 기계가 갑자기 통제 불능 상태에 빠지고, 누군가 부품을 일부러 고장 냈다는 사실이 밝혀진다.

콜은 2020년으로 떠난 캐시를 뒤쫓아 과거로 스플린터하고, 캐시는 존스의 부탁을 받고 과거의 스피어헤드에서 젊은 존스를 죽이지만, 자신을 뒤따라온 콜에게 존스가 살아 있다는 소식을 들으면서 혼란에 빠진다.

2016년, 제니퍼는 12 몽키즈에 맞서 싸우기 위해 정신 병원 친구들과 하이에나를 결성한다. 마지막 프라이머리의 행방을 알아내려고 2016년으로 온 콜은 제니퍼와 몽키즈의 리더를 유인할 계획을 세운다.

시간의 폭풍이 점점 거세지면서 연구소까지 잠식당할 위기에 놓이자, 존스는 마지막 패러독스를 막기 위해 시간 여행자들을 1957년으로 보내기로 한다. 하지만 램지와 캐시는 목격자를 찾아 없애기 위해 콜과 존스의 의견에 맞선다.

시간 폭풍이 시설을 집어삼킬 위기의 순간, 콜은 1957년으로 이동할 준비를 한다. 하지만 예기치 못한 저항에 부딪히고, 콜은 제니퍼에게 도움을 청한다. 제니퍼는 의미심장한 말과 함께 도터스를 이끌고 시설로 향한다.

1957년으로 간 콜과 캐시는 패러독스가 발생한 공장에 취직해 프라이머리를 찾아 나서지만, 아무리 조사해 봐도 프라이머리의 흔적은 보이지 않는다. 한편, 램지는 일행들과 함께 타이탄으로 향하다가 도터스와 신경전을 벌인다.

콜과 캐시는 과거에서의 삶에 적응하고, 행복한 시간을 보낸다. 그러던 중 한 여성이 나타나 콜에게 불가사의한 말을 건네고, 콜은 혼란에 빠진다. 콜은 다시 한번 선택의 갈림길에 선다.