瑞贝卡（伊娃·格林 Eva Green 饰）回到了童年生活过的临海小镇，在那里，住着一个她无论如何也要见到的人——儿时玩伴托马斯（马特·史密斯 Matt Smith 饰）。曾经的懵懂少年如今已经成长为男人，两人之间迅速的产生了奇妙的化学反应。没过多久，一场车祸夺走了托马斯的生命，悲痛欲绝的瑞贝卡做出了一个危险的决定——利用当代先进的基因克隆技术，复制托马斯的基因。十个月之后，一个名叫托马斯的婴儿呱呱坠地，作为生下他的母亲，瑞贝卡的心情十分复杂。                                                                      　　在托马斯的眼中，母亲是一个即神秘又极具魅力的女人，在她惊人的美貌里，隐藏着的是深深的哀愁和绝望，而她望向自己的眼神，也似乎包含了千言万语。纸终究包不住火，随着托马斯的渐渐长大，那个不能说的秘密也在逐渐的显影，待到真相被揭露的那一天，这两个痛苦的人该何去何从？

近未来，天才科学家威尔·卡斯特（约翰尼·德普 Johnny Depp 饰）开发出最接近人类的人工智能机器人“品（Pin）”，他在收获来自科学界的美誉同时，也遭到无数反对者的诟病与抨击。在某次会议之后，威尔遭到激进组织成员的枪击，虽然当时侥幸逃生，但涂抹了放射性物质的子弹还是慢慢销蚀了威尔的生命。威尔的妻子兼研究伙伴伊芙琳（丽贝卡·豪尔 Rebecca Hall 饰）自然痛不欲生，但她却和丈夫的好友马克斯（保罗·贝坦尼 Paul Bettany 饰）设法，将威尔的意识数据化上传到智能电脑中。奇妙而幸运的是，威尔成功在虚拟世界中复生。                                                                      　　他的天才头脑和先进科技完美融合，只是没人能够想到，这种局面对人类来说究竟是幸运还是灾难……

内向沉稳的约尔•巴瑞斯（金•凯瑞 饰）在一次聚会中认识了率真随性的克莱门汀•克罗斯基（凯特•温丝莱特 饰），二人成为情侣。和普通的情侣一样，他们的日子也在甜蜜和争吵中度过。                                                                      　　2004年情人节前夕，当约尔精心准备好礼物，为不久前一次争吵找到克莱门汀道歉时，他惊讶地发现，克莱门汀根本都不记得他了。原来冲动的克莱门汀受不了二人交往中争吵的痛苦，到“忘情诊所”，把关于约尔的记忆删除得一干二净。                                                                      　　约尔无法原谅克莱门汀的任性，也无法忍受失去她的痛苦，所以他也到了“忘情诊所”，请求医生霍华德博士（汤姆•维尔金森 饰）消除关于克莱门汀的记忆。                                                                      　　记忆清除程序开始启动，约尔在自己的记忆中游走，他发现和克莱斯汀一起度过的那些时光，无论是痛苦还是甜蜜，都弥足珍贵，他并不想忘记这个自己深爱的女人。但是，程序一旦启动就无法逆转，约尔只能想尽办法把克莱斯汀藏到记忆最深的地方，那些现实中克莱斯汀本来没有出现过的时间角落，以保存这份爱情……