Леонард Шелбі, який страждає на антероградну амнезію, сповнений рішучості розкрити таємницю жорстокого вбивства своєї дружини. Його стан позбавляє його можливості зберігати нові спогади, що робить розслідування неймовірно складним. Щоб впоратися з цим, Леонард покладається на систему нотаток, татуювань і полароїдних фотографій, які він використовує для реконструкції своєї місії.
Заглиблюючись у розслідування, Леонард починає спілкуватися з Тедді, який називає себе його другом і союзником, допомагаючи йому в пошуках невловимого вбивці. Він також зустрічає Наталі, яка може мати важливу інформацію про його минуле.