Joel Barish, bir sabah işe giderken yaptığı plansız bir tren yolculuğunda kendine çekici gelen bir kadınla tanışır. Clementine adındaki bu kadınla arasında hemen bir bağ oluşur ve birlikte vakit geçirmeye başlarlar. Ancak Joel, tanıştıkları bu yabancının aslında eski sevgilisi olduğunu ve Clementine’in onunla ilgili tüm anılarını silmek için deneysel bir tıbbi prosedürden geçtiğini öğrenir.

Bu gerçeği kabullenemeyen Joel, aynı işlemi kendisi de yaptırmaya karar verir. Prosedür sırasında uyurken zihninde Clementine ile yaşadığı anılar tek tek silinirken, Joel bu anların en mutlu ve en acılı sahnelerini yeniden deneyimler. İlişkilerinin başlangıcındaki tutkulu anlardan, zamanla ortaya çıkan tartışmalara ve hayal kırıklıklarına kadar her şey gözlerinin önünden geçer.

Ancak en değerli anılar silinmeye başladığında Joel pişmanlık duyar. Clementine’i tamamen kaybetmek istemediğini fark eder ve zihninin derinliklerinde onu saklamak için çaresiz bir mücadeleye girişir. Bu süreçte Joel, hafızanın ve aşkın karmaşık yapısını keşfederken, silinmeye yüz tutmuş anılarını kurtarmaya çalışır.