Sam Beckett (Scott Bakula) est un scientifique de génie. Il participe un jour à une expérience temporelle qui, en raison d’une horloge cosmique déréglée, le catapulte dans le passé. Depuis il voyage dans le temps, d’époque en époque, dans la peau de différents personnages, tous de parfaits inconnus. Dans cette aventure, il est secondé par Al « l’observateur » (Dean Stockwell), qui lui apparaît sous forme d’hologramme et que lui seul peut voir et entendre. Son rôle est d’aider Sam à s’adapter aux différentes personnes et époques. Une aventure que tous deux s’efforcent d’affronter avec humour, mais qui constitue cependant un défi permanent pour notre héros, forcé de vivre la vie de personnages dont il ne connaît rien. « Code Quantum » incarne la promesse d’une seconde chance, chaque saut dans le temps offre à Sam la possibilité d’accomplir de bonnes actions, d’influer sur la vie des gens et de réparer les erreurs du passé, et finalement de rendre le monde un peu meilleur.