Leeswaarschuwing: Onderstaande tekst bevat details over de inhoud of de afloop van het verhaal.
Eind 1996 wordt er door een onbekende een dodelijk virus verspreid waardoor de mensheid gedwongen wordt ondergronds te leven. Tegen 2035 heeft slechts 1 procent het overleefd. Aan de oppervlakte heersen nu opnieuw de wilde dieren.
De veroordeelde sociopaat James Cole (Bruce Willis) wordt vanwege zijn scherpe observatievermogen geselecteerd om terug te gaan in de tijd naar 1996, om de oorzaak van de epidemie te achterhalen. Doel is het virus te lokaliseren voordat het muteert, zodat wetenschappers het kunnen onderzoeken. Bekend was wel dat het mysterieuze "Army of the Twelve Monkeys" (Leger van de Twaalf Apen) verantwoordelijk was voor de verspreiding.
Interrieur van het Eastern State Penitentiary dat werd gebruikt als locatie voor het psychiatrisch ziekenhuis in de film.
Cole wordt echter per ongeluk teruggestuurd naar 1990, zes jaar te vroeg dus. Hij wordt gearresteerd en opgesloten in een psychiatrisch ziekenhuis waar hij de psychiater Kathryn Railly (Madeleine Stowe) ontmoet. Aan haar probeert hij de situatie uit te leggen, maar zij heeft grote moeite hem te geloven. Een van zijn medepatiënten is Jeffrey Goines (Brad Pitt), de gestoorde zoon van een beroemde wetenschapper en virusexpert.
Cole wordt door de wetenschappers die hem naar 1990 stuurden teruggehaald naar 2035 en opnieuw terug in de tijd gestuurd. Ditmaal komt hij wel in het juiste jaar terecht, namelijk 1996. In 1996 ontvoert hij Kathryn Railly en gebruikt haar om de Army of the Twelve Monkeys te vinden. Daardoor krijgt hij de autoriteiten achter zich aan die hem nu verdenken van moord en ontvoering. Terug naar de toekomst ontsnappen is geen optie voor Cole, hij is verliefd geworden op Kathryn.
De "Army of the Twelve Monkeys" is geïnspireerd door een passage uit L. Frank Baums roman "The Magic of Oz", waarin de Nome King en Kiki Aru twaalf apen weten over te halen om voor hen te gaan vechten, in ruil voor voedsel. De plot daarentegen lijkt grotendeels op de 28 minuut durende film "La Jetée" (1962) van Chris Marker.
Net als actrice Kim Novak in Vertigo wordt dokter Railly geblondeerd. Het eindresultaat lijkt echter op de actrice Eva Marie Saint in de film North by Northwest uit 1959, ook een Alfred Hitchcock-klassieker.
De soundtrack van Vertigo is hoorbaar zodra Railly met een blonde pruik op uit de wc komt op het vliegveld.
