8月13日、予定のアドラーアングリフ作戦が天候不良を理由にヘルマン・ゲーリングは延期を命じたが、延期の連絡が行き届かず、早朝に出撃する部隊の一部が予定通りに出撃してしまった。これらの部隊はイギリス戦闘機の迎撃を受けて多くが撃墜されてしまった上にドイツ空軍にとって衝撃であったのは、前日にレーダーを破壊したので待ち伏せ攻撃を受けないはずが、イギリスのレーダー・サイトは復旧を終えていたという点であった。その日の午後に天候の回復が確認されるとドイツ空軍は、イギリス戦闘機軍団の飛行場攻撃のため出撃した。イギリス空軍も海上封鎖に対する防戦の経験から、ドイツ空軍の戦闘機が迎撃機を引きつける役を演じていることに気づいており、しつこく爆撃機を狙うことで空襲の被害を未然に防げるようになった。しかし、夜間にはバーミンガムのスピットファイアを製造する工場が爆撃を受け、僅かではあるがスピットファイア Mk. IIの生産に影響を与えた。14日の午後にも双発戦闘機Bf 110に護衛された急降下爆撃機Ju 87がドーバーを空襲し、ドーバー上空では戦闘機同士の空中戦が生起した。15日の午後には13日を上回る約1,700機規模の大編隊がイギリス南部の飛行場に殺到し、イギリス空軍も第10飛行群 (No. 10 Group) と第11飛行群 (No. 11 Group) から150機の戦闘機が発進して大規模な空中戦を行った。ドイツ空軍のJu 87は防御が弱く、護衛のBf 110は鈍重で、この航空戦の過程でかなりの損害をこうむった。空戦での損失はイギリス側約30機に対して、ドイツ側は約75機に達した。飛行場で地上撃破されたイギリス戦闘機を見積もっても、ドイツ側にとっては人的物的損害ともに大きく、15日を暗黒の木曜日と称した。
1940年8月1日、和平案を拒絶されたヒトラーは軍事侵攻によってイギリスを屈服させる事を決定した。上陸作戦そのものはドイツ陸軍とドイツ海軍が実施することとなったが、制空権の確保が前提とされたため作戦決行の鍵はドイツ空軍が担うことになった。この作戦準備の第一目標がこれまで海上封鎖であったのに対し、イギリス空軍の殲滅を第一に掲げられ、戦闘機の殲滅と飛行場や航空機産業も攻撃の対象にするよう指令が出された。3日にはドイツ空軍の上層部で初期攻撃の目標が選定され、それに向けての準備が開始された。このため、すぐにはイギリス空軍の戦闘機を狙った攻撃は行われず、引き続き艦船など港湾に対する攻撃が行われた。この期間中、双方は航空機の修復と補充を行ったが、イギリス空軍ですでに深刻になり始めていたパイロット不足を補う貴重な時間を得ることができた。11日になってドーバーとポートランドの港湾を狙った大規模な空襲があったが、レーダー網が正確にドイツの編隊を捉え、無線管制を受けた戦闘機軍団の6個飛行隊が邀撃に成功し、イギリス側は戦闘機31機を失ったがドイツの戦闘機23機と爆撃機15機を撃墜した。8月12日、メッサーシュミット Bf110に500 kg爆弾2発を搭載した戦闘爆撃機型のBf 110 C-4/Bがイギリスのレーダー・サイトを攻撃した。レーダー・サイトはそれまで攻撃の目標にされることがなかったが、ドイツ空軍は翌日から始まる作戦アドラーアングリフ (Adlerangriff) に備えた目潰しと露払いを兼ねて4箇所のレーダー・サイトを攻撃し、ポーツマスへの侵入機を察知するベントナー・サイトは完全にダウンした。この攻撃は第210実験飛行隊 (Erprobungsgruppe 210) によるものであった。同日、ドイツ空軍の約250機は、イギリス南部沿岸の港湾と工場を狙って出撃した。イギリスは、破壊されたレーダーに代わって目視による監視所からの情報で戦闘機50機を緊急発進したものの爆撃機邀撃には間に合わず、イギリス南部沿岸に大きな被害を受けた。一方でイギリス空軍の爆撃機軍団 (Bomber Command) もドイツ工業都市をつなぐドルトムント・エムズ運河に対して夜間爆撃を実施し、ライン川を経由する輸送航路の一時的な遮断に成功した。
アメリカ陸軍パイロットのスティーブンス大尉が目を覚ますとAM7:40、シカゴ行き通勤列車の中だった。しかし周りの光景にも、自分に話しかけてくる同席の女性（クリスティーナ）にも全く見覚えがない。鏡に映る自分の顔も別人であり、所持していた身分証には教員ショーン・フェントレスと書かれている。そして8分後、列車は大爆発を起こして乗客は全員死亡する。爆発後、スティーブンスが操縦席らしき暗所で目を覚ますと、モニター画面に映る女性（グッドウィン空軍大尉）が話しかけてくる。列車爆発は既に起こってしまった事件であり、ラトレッジ博士が開発した"包囲された城"と呼ばれるプログラム装置を用いて、死亡した乗客ショーンの脳に残っていた爆発直前8分間の記憶と、スティーブンスの意識とを同期させ、脳内で体験しているのだと知らされる。そして、6時間後に次の爆破テロがシカゴのダウンタウンで実行される前に、過去の8分間を体験しながら列車爆破の犯人を特定して欲しいと説明を受ける。スティーブンスは混乱しつつ渋々列車の時間線に戻る。列車を降りてクリスティーナと逃げようとしたり、列車に仕掛けられた爆弾を見つけて解除を試みるなどするも失敗。何度か8分間の体験を繰り返すうち少しずつ状況を把握していき、自分が2か月前アフガニスタンで出動中に重傷を負って身体の大部分を失い、植物状態で生命維持装置にかけられ、公には殉職扱いとなっている現実を知る。操縦席も自身の肢体も、脳が創り出した幻想だったのだ。スティーブンスは自身を安楽死させて欲しいとラトレッジ博士に頼み、爆弾犯を見つける任務の完遂を条件に許可される。スティーブンスは再三8分間を繰り返したのち、ついに爆弾犯（フロスト）を特定し問い詰めるが、フロストはショーンとクリスティーナを射殺し、爆弾を積んだライトバンで走り去った所でその8分間が終了する。スティーブンスは記憶したナンバープレートと方角をグッドウィンらに報告、これによって現実世界ではフロストが逮捕され、次の爆破テロを防ぐことに成功する。だがラトレッジ博士は約束を守らず、次の重要任務でもスティーブンスを利用するため彼の記憶を抹消するようグッドウィンに指示。スティーブンスはグッドウィンに改めて安楽死と、その前に記憶の中だけでも列車の乗客を救いたい、もう一度8分間を体験させて欲しいと懇願する。スティーブンスは再び列車の時間線に戻り、最後の8分間がスタート。爆弾の起爆装置を解除し、フロストを拘束して通報し、疎遠になっていた父親と戦友のふりをして通話し、グッドウィン宛にメールを送り、乗客たちを笑顔にさせ、クリスティーナに告白する。全てを終えてクリスティーナとキスをした丁度その時8分が経過し、グッドウィンはスティーブンスの生命維持装置を停止。現実世界でのスティーブンスは死亡する。しかし、列車内のスティーブンスの意識（ショーンの肉体）はキスを終えて8分間を過ぎても生き続け、スティーブンス（ショーン）とクリスティーナは列車を降り、二人でシカゴのミレニアム・パークを歩き出す。脳内の記憶の世界にすぎないとしていたラトレッジ博士らの認識に反して、この時間線は新たに生まれた現実の並行世界であることが暗示される。この並行世界で存在しているグッドウィンがネリス空軍基地に出勤すると、一通のメールが届く。シカゴでの列車爆破未遂事件のニュースが報じられる中、メールは「自分とグッドウィンの二人が爆破を阻止した」と伝えている。そしてこの並行世界で生命維持装置にかけられているであろうスティーブンス大尉に「きっとうまくいく」と伝えてくれと、メールは頼んでいる。