莱纳德患有罕见的顺行性遗忘症，大脑无法储存新的记忆，只能记住几分钟内发生的事。他执着于为被奸杀的妻子报仇，凭借纹身、宝丽来照片和笔记来拼凑线索。他遇到了自称能帮他的娜塔莉，娜塔莉利用他的失忆让他去对付自己的仇人泰迪。莱纳德在追寻真相的过程中不断与自己的遗忘作斗争，每一次调查都是从零开始。而泰迪似乎对他隐瞒了许多事，还引导他陷入一个个谜团。最后，莱纳德发现自己可能一直在被泰迪利用，但他选择继续活在为妻子复仇的虚假记忆中，再次踏上所谓的“复仇”之路。