Une théorie prétend que si l'on pouvait retourner dans le passé et changer quelques détails de notre vie, tout ce qui en découle serait modifié. On appelle cela "l'effet papillon". Evan Treborn a cette faculté. Fasciné il va d'abord mettre ce don au service de ceux dont les vies ont été brisées dans leur enfance. Mais rapidement Evan perd le contrôle. Les conséquences sont incalculables...

Avec sa troupe de théâtre ambulant, l'Imaginarium, le Docteur Parnassus offre au public l'opportunité unique d'entrer dans leur univers d'imaginations et de merveilles en passant à travers un miroir magique. Mais le Dr Parnassus cache un terrible secret. Mille ans plus tôt, ne résistant pas à son penchant pour le jeu, il parie avec le diable, Mr Nick, et gagne l'immortalité. Plus tard, rencontrant enfin l'amour, le Docteur Parnassus traite de nouveau avec le diable et échange son immortalité contre la jeunesse. À une condition : le jour où sa fille aura seize ans, elle deviendra la propriété de Mr Nick. Maintenant, il est l'heure de payer le prix... Pour sauver sa fille, il se lance dans une course contre le temps, entraînant avec lui une ribambelle de personnages extraordinaires, avec la ferme intention de réparer ses erreurs du passé une bonne fois pour toutes...