In TimeShift ben je de gepensioneerde kolonel Michael Swift. Hij is door de Amerikaanse overheid geselecteerd om twee van de meest belangrijke uitvindingen van de eeuw te testen. Een tijdbeïnvloedend apparaat met de naam “Quantum Suit” en een tijdmachine die de “Quantum Transporter” wordt genoemd. Voordat Swift zijn experimenten kan uitvoeren wordt er echter door een gemaskerde man een inval gedaan in zijn laboratorium. In alle verwarring wordt Swift kort teruggestuurd naar het jaar 1900. Wanneer hij terugkeert naar het heden is de wereld compleet veranderd. Het is aan Swift om uit te zoeken wat er mis is gegaan en alles weer recht te zetten.

Bij het uitvoeren van zijn missie moet Swift gebruik maken van de Quantum Suit. Hiermee kan hij tijd beïnvloeden op drie verschillende manieren. Hij kan tijd stopzetten, afremmen en terugspoelen. De drager van de Quantum Suit is het enige dat niet wordt beïnvloed door de tijdsveranderingen. Als Swift zodoende overmand dreigt te worden door een grote groep vijanden, kan hij tijdelijk de tijd stopzetten of afremmen zodat hij meer tijd heeft om de vijanden neer te schieten of te ontwapenen. Ook puzzels moeten opgelost worden met de tijdskrachten. Een pas ingestorte tunnel wordt bijvoorbeeld weer toegankelijk door de tijd terug te spoelen.

Uiteraard heeft de speler ook de beschikking over vele verscheidene wapens om hem te helpen in zijn strijd. Die strijd duurt 35 missies lang en verloopt aan de hand van een diepgaande verhaallijn. Deze verhaallijn bevat elementen van tijdreizen, intriges en een parallel universum met alternatieve technologieën. Bovendien beschikt TimeShift over een online multiplayermodus waarin de tijdsverschuivende elementen ook kunnen worden gebruikt. In de multiplayemodus kun je de tijd beïnvloeden door middel van tijdsgranaten. Iedereen in de radius van de granaat komt bijvoorbeeld tijdelijk stil te staan.