Phil Connors, présentateur météo grincheux et arrogant, doit tourner un reportage sur la fête de la marmotte. Mais lorsqu'il se réveille le lendemain, il découvre avec stupeur que la date n'a pas changé et qu'il est condamné à revivre un par un les événements de la veille. Connors se voit dès lors obligé de faire face à la répétition infinie du Jour de la marmotte.

Un commando de la Marine américaine débarque à bord de la station de forage sous-marine DeepCore afin de porter secours à un sous-marin échoué dans les profondeurs. Alors que les travaux de récupération commencent autour du submersible naufragé, l'équipage de DeepCore doit faire face à des phénomènes inexpliqués.