Der Film verfolgt das Schicksal dreier Frauen aus verschiedenen Generationen, deren Leben mit Virginia Woolfs Roman Mrs. Dalloway in Bezug stehen. Er verfolgt die Leben der drei Protagonistinnen jeweils einen Tag von morgens bis abends. So spielt der Film in drei Zeitebenen: 1923, 1951 und 2001, der damaligen Gegenwart. Er bedient sich des filmischen Mittels der Parallelmontage. Die Zeitebene 1923 erzählt die Geschichte von Virginia Woolf, die mit ihrem Schriftstellergatten Leonard Woolf in der englischen Provinz lebt. Umsorgt von ihrer Familie und dem Arzt beginnt sie den Roman Mrs. Dalloway. 1951 bereitet Laura Brown mit ihrem kleinen Sohn den Geburtstag ihres Ehemanns Dan vor und liest ebendiesen Roman,

Auf einem englischen Landsitz an einem Sommertag im Jahr 1935: Die 13-jährige Briony Tallis möchte Schriftstellerin werden, auf der Schreibmaschine schreibt sie das Manuskript für ihr erstens Theatertück: „Die Heimsuchungen Arabellas“. Aus dem Fenster ihres Zimmers beobachtet sie, wie ihre ältere Schwester Cecilia in Unterwäsche, entrüstet und völlig durchnässt am Brunnen im Garten steht. Dabei ist der Sohn der Haushälterin, Robbie Turner, dem der Vater der Schwestern das Studium finanziert. Briony hält die Situation für unerhört.

In einer geheimen Forschungsanlage mit dem Namen Projekt Pegasus arbeitet die Organisation S.H.I.E.L.D. daran, den Tesserakt (siehe Captain America: The First Avenger) als eine unerschöpfliche Energiequelle einzusetzen. Allerdings ist der aus Asgard stammende Würfel auch ein interdimensionaler Portalöffner, und eine außerirdische Macht, die Chitauri, will damit die Erde erobern. Zu diesem Zweck haben sie ein Bündnis mit dem Asen Loki geschlossen, der die Geheimnisse des Würfels kennt (siehe Thor). Mit seinem Zepter öffnet Loki durch den Tesserakt ein Portal im Inneren von Projekt Pegasus, dringt in die Anlage ein und bringt nach kurzem Kampf einige Mitarbeiter des Projekts um Dr. Selvig und den S.H.I.E.L.D.-Spezialagenten Clint Barton (Hawkeye) durch Gedankenkontrolle in seine Gewalt. Mit deren Hilfe nimmt er den Tesserakt an sich und flüchtet aus der Anlage, die daraufhin durch das instabil gewordene Portal komplett zerstört wird.

Christian Wolff ist ein Inselbegabter und Mathematik-Genie, der mit Zahlen deutlich besser umgehen kann als mit Menschen. Er arbeitet unter der Tarnung einer kleinstädtischen Steuerberatung als Buchhalter für einige der gefährlichsten Unterweltorganisationen der Welt. Die Aufträge vermittelt ihm eine mysteriöse Figur namens „The Voice“, die mit ihm telefonisch kommuniziert. Als Kind wurde bei ihm Autismus diagnostiziert und seine Eltern hatten die Möglichkeit, ihn am Harbor Neuroscience Institute in New Hampshire leben zu lassen. Obwohl Wolff sich mit Justine, der ebenfalls autistischen, stummen Tochter des Institutsdirektors, verbunden fühlte, lehnte dies sein Vater, ein Offizier der US-Army, ab. Er war der Meinung, dass sein Sohn seine Behinderung durch viel Training und Selbstdisziplin überwinden solle, um sich in der Welt besser behaupten zu können.

Der Roman erzählt vom Schicksal des Familienvaters Tony Hastings, seiner Frau Laura und deren Tochter India. Der Wagen der Familie wird auf einem Highway in der Wüste von einem anderen Fahrzeug gerammt und schließlich von der Straße gedrängt. Die drei Männer in diesem Fahrzeug – Ray Marcus, Lou und Turk – entführen nach einigen Streitigkeiten Laura und India im Auto der Familie. Tony wird gezwungen, mit Lou in deren Wagen bis an das Ende einer Wüstenpiste zu fahren, wo Lou den Familienvater aussetzt. Als Ray und Lou kurze Zeit später nach Tony suchen, versteckt er sich und schleppt sich später bis zu einem Haus, wo er die Polizei ruft. Bobby Andes, der ermittelnde Polizist, findet die Leichen der Frauen bei einem nahe gelegenen Trailer. Sie wurden vergewaltigt und dann erstickt bzw. erschlagen.