Eigentlich klingt es ganz einfach: Alles was Tommy Wick tun muss, ist ein Päckchen an einen Gangsterboss zu übergeben und dabei keine Fragen zu stellen. Doch der Routinejob stellt sich als tödliche Herausforderung dar, weil der Gangsterboss Anthony Anspruch auf die mysteriöse Lieferung erhebt. Gleich eine ganze Gruppe von gefährlichen Killern versucht das Päckchen in ihre Gewalt zu bringen...

Baby Doll wird von ihrem sadistischen Stiefvater in die Nervenheilanstalt von Brattleboro, Vermont, geschickt, wo sie einer Lobotomie unterzogen werden soll. Um mit der Situation besser umgehen zu können flüchtet die Hauptfigur von Sucker Punch in eine fantastische Vorstellungswelt, in der sie fortan ums Überleben kämpfen muss. Ihr zur Seite stehen weitere Insassen der Nervenheilanstalt, mit denen sie sich angefreundet hat. Schon bald plant Baby Doll die Flucht aus dieser alternativen Realität, doch dazu muss sie fünf Objekte stehlen, um der Gefangenschaft eines verrückten Unbekannten zu entgehen. Parallel dazu tickt auch in der realen Welt die Uhr, denn es bleiben Baby Doll nur fünf Tage, bis sie ihr Schicksal ereilen wird. Doch dann beginnen in Sucker Punch die Grenzen zwischen Traum und Realität zu verschwimmen.

Der Forscher Dr. Daniel Winter hat eine Technologie entwickelt, mit der Zeitreisen möglich werden können, doch die US-Regierung stuft die Experimente als zu gefährlich ein und stoppt das Projekt. Um sein Lebenswerk zu retten, entwendet er die Technologie und flieht. Das FBI unter Agent Caleb startet sofort eine groß angelegte Suchaktion, und Winters Name taucht kurz darauf auf der Passagierliste eines Linienflugzeugs auf. Doch als die Regierung den Befehl zur sofortigen Landung geben will, lässt Dr. Winter mit Hilfe seiner Technologie das Flugzeug in einem Zeitloch verschwinden. Der dadurch ausgelöste Welleneffekt droht die Welt zu zerstören. Ein Wettlauf gegen die Zeit hat begonnen.