Joel e Clementine si amano alla follia ma sono troppo diversi. Così, un giorno, Clementine decide di farsi estirpare la sezione della memoria relativa alla loro storia d'amore. Quando Joel lo scopre vuole sottoporsi allo stesso trattamento, ma all'ultimo momento capisce di amare troppo Clementine e di non volerne cancellare il ricordo... Inizia così una corsa contro il tempo per poter salvare l'amata nei recessi della sua mente.