The time traveler’s wife bercerita tentang henry detamble (alex ferris) yang kembali ke masa lalu setelah mengalami tabrakan mobil yang menewaskan ibunya di awal tahun 1970. Selang beberapa saat, henry ditolong oleh dirinya yang dari masa depan, yang juga kembali ke masa lalu. Karena tidak dapat mengontrol waktu dan tempat yang ia tuju, henry terbawa ke beberapa tempat dan masa, namun ia tidak dapat mengubah kejadian apapun.
Di 1991, henry (eric bana) bertemu dengan clare abshire 9ron livingston) di perpustakaan dimana ia bekerja. Clare sangat menyukai henry meskipun mereka baru saja bertemu. Clare kemudian menyatakan bahwa ia bertemu dengan henry dari masa depan ketika clare masih kecil, dan memberitahu clare bahwa mereka akan bertemu di masa depan. Sejak clare kecil, henry adalah sahabat clare dan sering mengunjunginya. Ketika clare berusia 18 tahun (saat ini), dan mereka bertemu di perpustakaan, henry menyadari dirinya tergila-gila pada clare di masa depan. Mereka kemudian menjadi sepasang kekasih. Henry kemudian sering kembali ke masa lalu untuk menemui clare kecil dan memberitahunya tanggal-tanggal ketika mereka akan bertemu saat dewasa nanti. Jatuh cinta dengan clare, henry kemudian menikahinya dan melakukan perjalanan waktu sebelum upacara pernikahan. Henry dari masa depan kemudian muncul di upacara pernikahan dan membingungkan para tamu.
Gen henry membuat bayinya yang belum lahir dapat menjelajah waktu. Clare kemudian hamil untuk yang terakhir kalinya (akibat henry muda yang datang berkunjung). Sebelum anaknya lahir, henry menjelajah ke masa depan dan bertemu dengan anak perempuannya, alba (hailey mccann). Alba mengatakan pada henry bahwa ia adalah penjelajah waktu, namun dapat mengontrol kapan dan dimana ia akan mendarat. Dia mengatakan pada henry bahwa ia akan meninggal saat umur 5 tahun, fakta yang membuat henry menghindar dari clare. Alba kemudian mengunjungi dirinya yang masih muda dan mempersiapkan diri untuk kematian henry.
Clare kemudian dapat memprediksi apa yang akan terjadi. Kemudian, perjalanan waktu henry membuat henry tidak sengaja tertembak ketika ayah clare berburu. Henry kembali melakukan perjalanan waktu dan meninggal di tangan clare. Film the time traveler’s wife berakhir saat henry yang masih muda mengunjungi alba dan clare, memberikan clare harapan bahwa ia akan berkunjung lagi, namun ia mengatakan pada clare untuk tidak munggunya seumur hidup, berharap bahwa ini akan menjadi akhir yang baik di antara mereka.
