Par essence, le voyage dans le temps entraîne la violation de la plupart des principes de conservation connus (si l’on considère l’univers comme un système isolé) : masse, énergie, charge, etc.
Par exemple, imaginons que vous soyez dans une machine à remonter le temps et qu'un témoin vous observe : vous l'utilisez pour revenir dans le passé, et la seconde suivante le témoin constate que la masse constituant la machine, ainsi que ses passagers, a disparu. Et comme elle est actuellement censée être dans le passé, on en déduit qu'elle a disparu de l'univers à cet instant précis, ce qui viole le principe de conservation de la masse.
Ces problèmes sont résolus dans l'hypothèse des univers parallèles. La conservation se fait à l'échelle du multivers.
Les auteurs traditionnels de science fiction (Isaac Asimov dans La Fin de l'Éternité et Poul Anderson dans La Patrouille du temps) considèrent non seulement qu'une modification faible du passé aura peu de conséquences sur les siècles suivants, mais aussi que plus on s'éloigne de l'événement modifié, plus les conséquences s'estompent. Au contraire, les auteurs récents (surtout écrivant pour les enfants) insistent souvent sur l'effet papillon qui rend selon eux extrêmement périlleux pour l'humanité tout entière tout voyage vers des périodes très reculées de l'histoire de la Terre (Chris Archer dans Haute tension ou K. A. Applegate dans Animorphs, ou la nouvelle Un coup de tonnerre de Ray Bradbury).
Dans La Patrouille du temps de Poul Anderson, le professeur de voyage dans le temps donne l'argumentation suivante : un mouton faisant partie d'un bon troupeau il y a 500 ans peut être un aïeul de tous les moutons élevés actuellement dans un pays. Est-ce qu'en tuant ce mouton on provoquerait l'extinction de tous les moutons du pays ? Au contraire, il y aurait autant de moutons, à une différence dans leur code génétique près, devenue insignifiante au fil des générations. L'auteur explique à travers son œuvre que le tissu temporel s'auto-régulerait en réparant de lui-même les coupures effectuées par les voyageurs temporels. En revanche, certains évènements sont considérés comme clés dans l'évolution de l'univers et ne doivent pas être modifiés. De plus, il peut y avoir discontinuité du tissu temporel et les lois de la causalité et de la conservation peuvent être, en théorie, violées.
D'autres auteurs permettent à leurs personnages de voyager dans le temps tout en leur rendant impossible de changer le passé. C'est le cas de H. G. Wells dans La Machine à explorer le temps, et c'est aussi une solution pour résoudre les paradoxes.
On trouve des histoires de science-fiction dans lesquelles, quand un voyageur temporel cherche à modifier radicalement le passé, ceux qui sont restés dans l'époque d'où vient ce voyageur disposent paradoxalement d'un délai pour envoyer des poursuivants. Ainsi dans l'album de Valérian et Laureline La Cité des eaux mouvantes, quand le criminel Xombul rejoint le passé, il a l'intention de provoquer des changements qui provoqueraient la non-existence de Galaxity. En voyageant vers l'époque concernée, les héros parviennent à empêcher un changement majeur du passé.
Dans La Fin de l'Éternité d'Isaac Asimov, les raisons d'une telle persistance sont mieux explicitées : un spécialiste explique que même si l'envoi d'une personne dans le passé peut provoquer un accident conduisant à la non-existence du service temporel, celui-ci continue à exister tant que leurs actions donnent une forte probabilité à la réparation de l'accident.
On trouve aussi des histoires dans lesquelles certains personnages peuvent être protégées contre les modifications du passé. Dans Valerian, trois terriens existent toujours malgré l'effacement de la Terre : Valerian et Laureline, qui ont obtenu cette faveur de « Dieu », et Jal, qui a volé les pouvoirs d'une extraterrestre si puissante que cela rend impossible de le faire cesser d'exister. De même, dans le dessin animé La Ligue des justiciers, dans l'épisode « Le Règne de Savage », le champ d'énergie de Green Lantern permet aux héros de ne pas être touchés par la vague de modification du présent. Si tous les habitants de l'univers trouvent normal de vivre dans un monde dominé par les nazis, les héros gardent leurs souvenirs du monde réel et n'en acquièrent pas d'autres ; ils devinent donc qu'un voyageur temporel a dû modifier le cours de la Seconde Guerre mondiale.
Les paradoxes temporels sont des situations autocontradictoires (paradoxe du grand-père: que se passerait-t-il si j’essayais de revenir dans le passé et que je tuais mon grand-père ? - exemple dû au romancier René Barjavel en 1943 dans Le Voyageur imprudent) ou au contraire sans cause extérieure à eux-mêmes (paradoxe de l'écrivain) rendues possibles par le voyage dans le temps. En science-fiction, on les résout soit en postulant que l'univers de départ du voyageur est différent de celui d'arrivée, soit en donnant aux voyageurs la responsabilité d'éviter de telles situations, ou encore en postulant que l'histoire est figée, ce qui impose de maintenir une histoire globale cohérente.
Dans les religions monothéistes, Dieu est considéré comme omniscient et omnipotent. Ceci implique deux questions :
René Descartes a tranché de cette manière : Dieu lui-même ne peut faire que ce qui a été n'a pas été, autrement dit changer le passé. A fortiori, l'homme ne peut interférer avec le passé.
De plus, pour Dieu, modifier le passé reviendrait à renier l'action (ou la décision de ne pas agir) qu'il a lui-même entreprise à l'époque, donc à se renier lui-même. Or, un être omniscient ne peut accomplir d'acte qu'il aurait à regretter.
Il est intéressant de noter à la rubrique des paradoxes en la matière que la définition d'un Dieu omniscient, c'est-à-dire connaissant également le futur, l'empêche également de réagir - puisqu'il est censé savoir de toute éternité ce que l'avenir réserve. Il devient donc en particulier totalement inutile de le prier, puisqu'il ne peut en aucun cas changer le cours des évènements qu'il connaît déjà. L'omniscience mène donc dans ce cas à une forme, sinon de non-existence, du moins de « surdité » par impossibilité d'interagir autrement que de façons décidées de toute éternité.
Se rencontrer soi-même en voyageant dans le temps est une possibilité théorique (si le voyage dans le sens rétrograde est possible) qui n'est pas un paradoxe en soi. Cependant plusieurs auteurs ont souligné l'aspect déroutant que cela aurait pour les personnages, et aussi à quel point une telle situation est fascinante.
Dans Le Voyageur imprudent, de René Barjavel, l'explorateur temporel Pierre Saint-Menoux se rencontre lui même par l'effet d'un saut très court de quelques heures dans le futur. L'étrangeté de la situation se double d'un terrible problème : qui va repartir dans le passé ? Ces deux êtres sont plus que des jumeaux et seule une légère différence dans leur mémoire permet de les distinguer : l'un est plus vieux de quelques heures.
Dans La Fin de l'Éternité, un des membres du conseil est fasciné par cette problématique. Dans le film L'Armée des douze singes, un enfant observe la scène de sa mort. Dans Harry Potter et le Prisonnier d'Azkaban, on apprend que de nombreux voyageurs temporels se sont tués eux-mêmes. Dans Retour vers le Futur, la destruction de l'univers par les violations de lois physiques sont évoqués par le Doc mais un simple malaise suit la rencontre des deux Jennifer et rien ne se passe lorsque Biff se rencontre plus jeune en 1955. Ce principe de violations des lois physiques est repris dans le film Timecop, selon lequel, si une personne touche son double du passé ou du futur, une violente réaction transforme les deux personnes en amas de chair qui se désintègre ensuite. Le film Les Visiteurs proposent une variante où un objet ancien transporté dans le présent, et qui s'approcherait à moins de 100 mètres de son double actuel, engendrait de violentes réactions météorologiques, ainsi qu'une explosion où les deux objets fusionneraient en un seul.
D'autres auteurs ne voient aucun problème à une telle rencontre. Sonic pour sa part a l'idée de se rendre à différentes époques auxquelles il avait déjà voyagé pour se rencontrer lui-même jusqu'à réunir un groupe de cinq Sonic et cinq Tails pour combattre un Robotnik géant, dans l'épisode Histoire de préhistoire de la série Les Aventures de Sonic.
De la même façon, Doraemon, pour pouvoir faire les devoirs de son ami en un temps très court et dormir longtemps ensuite, a l'idée d'aller se chercher lui-même à cinq moments différents de la nuit à venir. Les devoirs sont faits rapidement mais Doraemon ne pourra pas dormir une minute car il se fera chercher par ses doubles du passé tout au long de la nuit.
Le Guide du voyageur galactique, de Douglas Adams, souligne que conjuguer correctement un verbe décrivant un voyage dans le temps est un problème bien pire que les paradoxes temporels. Par exemple, quand on vient de faire un saut dans le passé, il faut disposer d'un temps grammatical décrivant un événement à venir dans le temps de l'univers, déjà réalisé dans son temps propre. Dans l'univers d'Adams, de nombreux temps ont été inventés pour pallier ce problème.