La serie racconta la storia del Dr. Sam Beckett (interpretato da Scott Bakula), fisico plurilaureato e pieno di talento fondatore del Progetto Quantum Leap: scopo di questo progetto top secret, la cui base è nascosta all'interno di una montagna da qualche parte in New Mexico, è rendere realtà la teoria dei viaggi nel tempo. Ormai sul punto di perdere i fondi per il suo Progetto, Sam decide di provare su se stesso l'esperimento e salta nel passato scambiandosi di posto con un giovane pilota dell'US Air Force test, dimostrando così la validità delle sue teorie. Ma a causa di un malfunzionamento nel sistema di recupero (o forse per la volontà di un'entità superiore non meglio identificata), Sam non riesce a tornare nel suo tempo e si trova a saltare attraverso gli anni di vita in vita: l'unico modo che ha per compiere un'ulteriore salto è aggiustare qualcosa che è andato storto nella vita delle persone. Viaggiare nel tempo non è facile per Sam, poichè egli non ha nessun controllo su dove lo porterà il salto successivo, ed in più la sua memoria é "piena di buchi" ("the swiss-cheese effect"), cosa che rende difficile per Sam ricordare informazioni e capacità che possiede, ma anche ciò che riguarda la sua vita privata.