Brian Finch, un artiste de burn-out et de combat de 28 ans, connaît le NZT-48, un médicament miracle qui lui donne accès à chaque neurone de son cerveau. Pendant douze heures dans le sillage de la prise de la pilule, il se transforme en l'individu le plus brillant de la planète, prêt à tout revoir impeccablement sur sa vie et apte à d'énormes sauts d'instinct et de réflexion. Alors que le sénateur américain secret Eddie Morra lui fournit un coup d'insusceptibilité pour vérifier les symptômes mortels du NZT, Brian utilise ses capacités améliorées pour aider l'opérateur du FBI Rebecca Harris. Le FBI ne pense pas au coup et Brian doit se battre pour garder les deux univers discrets.