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世界は２つのブラックホールの衝突が原因で自動的に時がリセットされ、解決策が見つからない限り同じ３週間が繰り返されてしまう永遠のループから抜け出すことができないでいた。ジャネットがループを解決できると瀕死のシヴから告げられたジョージはことの顛末をウェズに報告するが、チームへの裏切りが露見しラザロ・プロジェクトをクビになってしまう。

永遠のループの原因を作ったタイムブレイク・イニシアティブの科学者のひとり、サムソン博士を救出したジョージらラザロのエージェントたちは、彼らのタイムマシンの制御センターへと向かう。自らの行いに罪の意識を感じていたジャン・ルイは、ジャネットの幼い娘ベッキーの行方を捜していたが、彼女の行方をサムソン博士から聞き、絶句する。

地下鉄の中で、見覚えのある男に襲撃されたジョージを救ったのは、ジャネットの娘で１８歳の姿になったベッキーだった。ジャネットを操るため、まだ幼い子どもだったベッキーもまた、２０１２年に送られていたのだった。ベッキーは、母子のもとを離れ、助けにも来なかった父親のレブロフやチームを非難するが…。

ジャネットが残した説明書を頼りにタイムマシンを完成させたサムソン博士とチームは２０１２年を目指すが、２０１８年にタイムトラベルしてしまう。タイムマシン修復のヒントを探すためラザロ本部に向かったアーチーは、当時の恋人ロスがグレイ博士の殺害計画に関わっていることを確信する。一方、ジョージらチームの面々は、過去を書き変えたいという誘惑にかられ…。

タイムブレイク・イニシアティブに連れ去られたジャネットは、グレイ博士が研究していたタイムマシンの欠陥を修理するため２０１２年へのタイムトラベルを強いられる。娘のベッキーや監視役のブライソンと共に２０１２年にタイムトラベルしたジャネットはグレイ博士に近づき、彼女の信頼を得ることに成功する。しかし、ミッドナイト作戦決行の時はすぐそこに迫っていた…。

２０１２年へのタイムトラベルに成功したジョージらチームの面々は、ひとまずジョージの実家に身を隠すことにする。一方、突如レーダーに出現した飛行機が不時着した現場に急行した２０１２年のシヴは機内で男の死体を発見。さらに、現場近くの監視カメラにはレブロフが映っていた。同じ頃、グレイ博士らのタイムマシン完成が近いことに感づいたウェズは…。

2012年のシヴたちと撃ち合いになったジョージとサラ、サムソン博士は、間一髪である人物に助けられる。ウェズと真っ向からの対決を余儀なくされた3人は最後の切り札を持ってラザロ本部に乗り込む。同じ頃、2012年のロスはウェズの指示で彼女の大学生の息子を本部に連れてくるが…。

手荒な説得でウェズからコード・ブラックを引き出すことに成功したジョージたちは再び2012年7月1日に舞い戻る。しかし、機内での銃弾戦でタイムマシンが修復不可能になってしまう。エージェントたちはコード・ブラック前の記憶を頼りに、それぞれに最良の選択をしようと決意するが…。