Clementine Kruczynski (Kate Winslet) ile Joel Barish (Jim Carrey) bir kumsalda tanışırlar ancak birbirlerinden çok farklıdırlar. Joel, içine kapalı ve mantıklı, Clementine, dışa dönük ve içgüdüleriyle hareket eden biridir. Birbirlerine aşık olurlar ama zamanla sorunlar ortaya çıkar, en ufak şey batar, tahammülsüzlük artar. Sonra da ayrılırlar. Clementine mutsuzdur. Joel’i unutarak mutsuzluğunu bitirebileceğini düşünür. İnsanların hafızalarını temizleyen bir doktora gider. Joel ile ilgili tüm anılarını sildirir. Bu durum karşısında hayal kırıklığına uğrayan ve Clementine’i unutmak için aynı prosedürü kendi üstünde uygulatmaya karar veren Joel, sıkı kurallar ve tam gizlilik ilkesiyle çalışan deneysel tıp merkezi Lacuna Laboratuarı’nın yolunu tutar. Kendisi de Clementine’ın anılarından kurtulmak ister. Fakat o uykusundayken yürütülen işlemin bir noktasında, kaybetmek istemediği hatıralarla karşılaşır. Silme işleminden vazgeçmek ister. Clementine’i unutmak istmediğini anlar. Ama uyku halindeyken sesini duyuramaz. Ve Clementine’i zihninin içinde saklamaya çalışır. Birlikte Joel’in zihninde bir yolculuğa çıkar ve birbirlerini kaybetmemeye çalışırlar.