Die besten Freunde C.J. und Sebastian sind wissenschaftliche Wunderkinder, die jede freie Minute mit ihrer neuesten Erfindung verbringen: Rucksäcke, mit denen man durch die Zeit reisen kann. Als C.J.s älterer Bruder Calvin jedoch bei einem Zusammenstoß mit der Polizei getötet wird, setzen die beiden Schüler ihre unvollendete Technologie in dem verzweifelten Versuch ein, Calvin zu retten. Regisseur Stefon Bristol und Produzent Spike Lee bringen mit "See You Yesterday" ein Science-Fiction-Abenteuer über familiäre Liebe, kulturelle Unterschiede und das universelle Verlangen, Fehler der Vergangenheit wiedergutzumachen.

Im Zuge des Kalten Krieges kämpfen die UdSSR und die USA im Jahr 1965 erbittert um die Führung im kosmischen Rennen. Die Sowjetunion steht kurz vor dem historischen Versuch, den ersten Menschen auf einen Weltraumspaziergang zu schicken. Zwei Wochen vor dem geplanten Start explodiert jedoch das Prüfungsraumschiff. Da die Zeit drängt, wird die Ursache nicht ermittelt und das enorme Risiko bei der Fortführung der Mission in Kauf genommen. Der erfahrene Militärflieger Pavel Beljajev und sein jüngerer Partner Aleksej Leonov sind bereit, trotz aller Gefahren den Schritt ins Unbekannte zu wagen.