L’histoire se situe dans la ville fictive de Middlesex, en Virginie pendant la campagne présidentielle de 1988. Donald « Donnie » Darko est un adolescent intelligent, bien que perturbé émotionnellement, souffrant de somnambulisme et d'hallucinations, et pris en charge par un psychiatre. La nuit du 2 octobre, le réacteur d’un avion de ligne s'écrase dans sa chambre. Cet événement est à la base de l’intrigue du film, car il entraîne l’altération de l’espace et du temps de ce monde. Donnie échappe en effet à la mort en obéissant à une voix dans sa tête lui ordonnant de quitter sa chambre. La voix est celle de Frank, un ami imaginaire, ressemblant à un lapin humanoïde morbide, qui lui prédit que la fin du monde interviendra dans 28 jours, 6 heures, 42 minutes et 12 secondes.
Ce qui suit dévoile des moments clés de l’intrigue.
Frank pousse Donnie à accomplir plusieurs actions provoquant une chaîne d’événements qui le conduira au dénouement : il inonde ainsi son lycée, se donnant l’opportunité de flirter avec une nouvelle camarade de classe : Gretchen Ross. Il s’intéresse au voyage dans le temps et découvre grâce à son professeur de sciences le livre La philosophie du voyage dans le temps dont l’auteur est une recluse centenaire connu sous le nom de « Grand-mère-la-mort ».
Alors que Donnie et Gretchen vont au cinéma voir The Evil Dead et La Dernière Tentation du Christ, cette dernière s’endort et Frank apparaît à Donnie. Ce dernier se révèle être un adolescent de son âge dont l’œil droit est crevé. Le même œil que celui qu’avait visé Donnie de son couteau lors d’une précédente « hallucination consciente ». Frank montre un portail temporel à Donnie, et lui ordonne d’incendier la maison d’un « coach de la motivation », qui était intervenu dans son lycée, et dont la théorie simpliste sur la division du monde entre la peur et l’amour avait navré Donnie. L’incendie entraîne la découverte d’un cachot pédophile et l’arrestation de cet homme.
Donnie voit des formes tentaculaires à l’aspect liquide sortir de la poitrine des gens qui l’entourent indiquant les endroits où ils se rendront, leur futur proche. Il suit son propre tentacule jusqu’à la chambre de ses parents et leur pistolet caché dans l’armoire dont il s’empare.
Le 29 octobre, soit 27 jours après la prédiction de Frank, la mère de Donnie amène sa plus jeune sœur à Los Angeles pour participer à un concours de danse. Son autre sœur profite de la maison vide pour fêter son entrée à Harvard. Mais au cours de cette soirée costumée, Donnie est frappé d’une nouvelle hallucination et entraîne Gretchen et deux autres amis chez « Grand-mère-la-mort ». Ils y sont attaqués par deux collègues de classe qui cambriolaient la maison cette nuit-là. Dans la bagarre qui s’ensuit, Gretchen est projetée sur la route et tuée par les roues d’une voiture qui s’arrête. En sort le petit ami de la sœur de Donnie : Frank. Ce même Frank qu’il voyait lors de ses hallucinations. Il porte le costume de lapin que Donnie l’a toujours vu porter mais il a enlevé son masque. Alors Donnie lève l’arme de ses parents et lui loge une balle dans l'œil droit, répétant avec le Frank humain ce qu’il avait déjà fait à son double imaginaire.
Minuit est passé, la boucle semble bouclée. C’est le jour de la fin du monde, annoncé par Frank que Donnie ne reverra plus.
Il transporte Gretchen jusque chez lui puis l’emmène sur la montagne surplombant Middlesex en voiture à l’endroit où commence le film lors de sa première crise de somnambulisme. Depuis la colline, il assiste à la formation d’un portail sous la forme d’une tornade. Un avion s’y dirige : c’est celui de sa mère et de sa sœur qui reviennent de son concours de danse. L’avion perd un réacteur dans la tornade, le même que celui qui s’est écrasé 28 jours plus tôt dans la chambre de Donnie.
Le film s’achève par un retour dans le temps, qui ramène l'action le lendemain de la chute du réacteur. Frank est dans sa chambre avec un prototype de masque de lapin pour Halloween, se touchant l’œil droit inconsciemment. L'orateur pleure dans sa chambre, sans doute en proie à des remords quant à sa perversion pédophile. Les autres personnages eux-aussi ont des impressions de déjà-vu. Cette fois Donnie a choisi de rester dans son lit, s'offrant à une mort certaine, et son corps sans vie est transporté dans une ambulance, alors que Gretchen passe devant la maison de celui qu’elle n’a jamais connu.
