道姆·柯布（莱昂纳多·迪卡普里奥 Leonardo DiCaprio 饰）与同事阿瑟（约瑟夫·戈登-莱维特 Joseph Gordon-Levitt 饰）和纳什（卢卡斯·哈斯 Lukas Haas 饰）在一次针对日本能源大亨齐藤（渡边谦 饰）的盗梦行动中失败，反被齐藤利用。齐藤威逼利诱因遭通缉而流亡海外的柯布帮他拆分他竞争对手的公司，采取极端措施在其唯一继承人罗伯特·费希尔（希里安·墨菲 Cillian Murphy 饰）的深层潜意识中种下放弃家族公司、自立门户的想法。为了重返美国，柯布偷偷求助于岳父迈尔斯（迈克尔·凯恩 Michael Caine 饰），吸收了年轻的梦境设计师艾里阿德妮（艾伦·佩吉 Ellen Page 饰）、梦境演员艾姆斯（汤姆·哈迪 Tom Hardy 饰）和药剂师约瑟夫（迪利普·劳 Dileep Rao 饰）加入行动。在一层层递进的梦境中，柯布不仅要对付费希尔潜意识的本能反抗，还必须直面已逝妻子梅尔（玛丽昂·歌迪亚 Marion Cotillard 饰）的处处破坏，实际情况远比预想危险得多……

当记忆支离破碎后，你该怎样面对生活？本片的主人公就遭遇了这样的事情。 莱纳•谢尔比（盖伊•皮尔斯 饰）在家遭到歹徒的袭击，妻子被残忍的奸杀，自己脑部也受到严重的伤害。 醒来后，他发现自己患了罕见的“短期记忆丧失症”，他只能记住十几分钟前发生的事情，为了让生活继续下去，更为了替惨死的妻子报仇，他凭借纹身、纸条、宝丽来快照等零碎的小东西，保存记忆，收集线索，展开了艰难的调查。 调查中，莱纳遇上粗俗的酒吧女招待娜塔莉娅(凯瑞•安妮•莫斯 饰)，她似乎知道一些莱昂纳多感兴趣的事；还有泰迪(乔•潘托利亚诺 饰)，自称是他以前好朋友，但看上去鬼鬼祟祟的，不怀好意。到底谁能相信？娜塔莉娅？泰迪？还是他自己？ 抽丝剥茧之后，真相呼之欲出，简单之至却又残酷无比，而莱纳是否有面对这一切的勇气？