L'idée du film vient à la base du producteur délégué Robert Kosberg, qui est un admirateur du court métrage français La Jetée (1962) et qui persuade son réalisateur, Chris Marker, de lui laisser présenter brièvement à Universal Pictures son projet de s'en servir de point de départ pour un film de science-fiction. Universal accepte d'acheter les droits pour faire un remake et Janet et David Peoples sont engagés pour l'écriture du scénario. Le producteur Charles Roven choisit Terry Gilliam pour se charger de la réalisation car il pense que son style est parfait pour cette histoire à la narration complexe qui implique des voyages dans le temps. Gilliam signe son contrat pour réaliser le film alors qu'il vient juste d'abandonner son projet d'adaptation du Conte de deux cités de Charles Dickens. C'est également le deuxième film de Gilliam pour lequel il n'a pas écrit au moins en partie le scénario. Mais, même s'il préfère participer à l'écriture du scénario, Gilliam se déclare captivé par ce « script intelligent et intriguant. L'histoire est déconcertante. Elle traite du temps, de la folie et de notre perception du monde. C'est une étude de la folie et des rêves, de la mort et de la renaissance, qui se déroule dans un monde qui se désagrège »
À son arrivée, il kidnappe le docteur Railly pour qu'elle le conduise à la recherche de Goines. Railly essaie vainement de convaincre Cole que cette histoire de virus et de voyage dans le temps n'est qu'une invention due à un trouble mental. Cole retrouve Goines, qui semble désormais s'être rangé et travaille avec son père, mais celui-ci nie avoir le moindre rapport avec le virus et rappelle à Cole que c'est lui-même qui lui avait parlé d'une éradication de l'espèce humaine en 1990. Cole est désormais convaincu d'être victime d'hallucinations et est renvoyé peu après dans son présent, alors que Railly commence à penser que son histoire est vraie quand une révélation de Cole sur l'issue d'un fait divers de 1996 se révèle exacte (Cole se rappelle en effet avoir entendu parler de ce fait divers, alors que lui-même était un enfant). Convaincu que les scientifiques ne sont qu'une projection de son mental, Cole les persuade de l'envoyer à nouveau en 1996. Il y retrouve Railly mais tous deux ont désormais des avis à l'exact opposé de ce qu'ils étaient à l'origine. Pour régler la question, Railly appelle le numéro que les scientifiques ont laissé à Cole pour les contacter et laisse sur le répondeur le message vocal que les scientifiques avaient précédemment fait écouter à Cole. Désormais conscients que le virus va effectivement commencer à se répandre d'ici quelques jours (et qu'ils n'ont aucune piste), Cole et Railly décident de profiter du temps qu'il leur reste à vivre (Cole s'arrache l'émetteur permettant aux scientifiques de le localiser).
Ils prévoient de prendre l'avion pour quitter les États-Unis et, sur la route de l'aéroport, apprennent que l'Armée des douze singes est en fait une organisation, bel et bien dirigée par Goines, qui défend les droits des animaux. Ils ont libéré tous les animaux du zoo et Goines a enfermé à la place son père dans une cage. Arrivé à l'aéroport, Cole laisse un message avertissant les scientifiques qu'il ne reviendra pas et que l'Armée des douze singes n'a aucun rapport avec le virus. Il est immédiatement abordé par José, un autre prisonnier que les scientifiques ont envoyé, qui lui donne un pistolet et des instructions pour terminer sa mission. Pendant ce temps, Railly découvre que le vrai responsable de la création du virus est le docteur Peters, le bras droit de Leland Goines. Peters est sur le point de s'embarquer pour un tour du monde dont les escales correspondent parfaitement à la propagation du virus. Cole tente d'arrêter Peters avant son embarquement mais il est grièvement blessé par la sécurité de l'aéroport. Alors qu'il agonise dans les bras de Railly, il voit un petit garçon qui n'est autre que lui-même enfant assistant à sa propre mort (le rêve récurrent qui le hantait). Peters monte dans l'avion et s'assoit à côté d'une femme se présentant sous le nom de Jones et qui n'est autre que l'une des scientifiques (ce qui laisse penser que ceux-ci vont pouvoir récupérer un échantillon du virus pour mettre au point un vaccin, ou bien qu'il s'agit en fait d'une machination des scientifiques qui supervisent eux-mêmes la fin du monde pour en prendre le contrôle
Le film étudie la nature subjective de la mémoire et son effet sur notre perception de la réalité. On peut voir par exemple le souvenir de Cole de la fusillade à l'aéroport, qui se modifie à chaque fois qu'il en rêve ; un patient de l'hôpital psychiatrique qui est atteint par un syndrome des faux souvenirs ; et l'impression dedéjà-vu ressentie par Railly et Cole quand ils se voient grimés pour la première fois avant de se rendre à l'aéroport. On trouve également plusieurs références au temps, au voyage dans le temps et aux singes dispersés à travers le film, comme le cartoon Woody Woodpecker, Time Tunnel, qui passe à la télévision dans la chambre d'hôtel, et le film des Marx Brothers Monnaie de singe diffusé à l'hôpital psychiatrique. Le titre du film est inspiré du roman de Lyman Frank Baum, Le Magicien d'Oz dans lequel le magicien persuade douze singes de le servir comme soldats
Au milieu de cette sombre évocation du futur, le seul élément d'espoir est l'amour, prédestiné, qui naît entre Cole et Railly. Cet amour entre deux personnes présentant chacun un syndrome psychologique (syndrome de Cassandre pour Cole et syndrome de Stockholm pour Railly, et dont la révélation vient sous la forme d'une mise en abyme lors d'une scène dans un cinéma, se termine de manière tragique car on ne peut échapper au temps ni à la destinée. Cependant, il symbolise aussi l'idée de l'amour éternel car, au moment de la mort de Cole, Railly croise le regard de celui-ci enfant, laissant ainsi présager un éternel recommencement
Le film est en partie une adaptation du court métrage français La Jetée de Chris Marker (1962), notamment le fait que le personnage principal se souvienne, sans le savoir, de sa propre mort, et qui survient dans un aéroport. Cependant, tout le développement original autour de l'hôpital psychiatrique rappelle plutôt le roman de John Brunner À l'ouest du temps (1967) ou Vol au-dessus d'un nid de coucou(1975). Il est à noter que Gilliam n'a pas voulu voir La Jetée avant de tourner son film pour ne pas être trop influencé par cette vision. Selon ses propres mots : « La colonne vertébrale est la même, mais cela débouche sur deux univers très différents ».
Un passage vers la fin du film montre Cole et Railly en fuite qui se réfugient dans un cinéma où se joue Sueurs froides d'Alfred Hitchcock(1958). On voit un extrait du film où les personnages joués par James Stewart et Kim Novak se trouvent au Muir Woods National Monument, en Californie. Ils évoquent le passage du temps devant la coupe d'un séquoia, et Cole et Railly ont plus tard une conversation similaire alors qu'on entend en bande son le même morceau que dans la scène de Sueurs froides, ce qui fait ainsi écho au voyage dans le temps et au destin du personnage incarné par Bruce Willis (selon le procédé du film contenant un film). Par ailleurs, on peut noter que, dans Sueurs froides, le personnage de Judy joué par Kim Novak se teint les cheveux en blond pour devenir Madeleine, prénom de l'actrice Madeleine Stowe, qui met quant à elle une perruque blonde pendant le film ; une fois grimée, Cole la voit sortir nimbée d'une lumière rouge, alors que dans Sueurs froides, le personnage joué par James Stewart voit Judy/Madeleine émerger d'une lumière verte. Le passage est aussi un clin d'½il des scénaristes à La Jetée, où l'on voit plusieurs images de coupes d'arbres situés au jardin des plantes de Paris, et dont le lien avec cette scène précise de Sueurs froides est reconnu explicitement par Chris Marker dans son film de 1982 Sans soleil
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