Фильм условно разделен на две сюжетные линии: черно-белую и цветную. Первая рассказывает о событиях прошлого, а вторая идет в настоящем. Это позволяет зрителю составить конечную картину и собрать историю воедино.
Леонард Шелби работает в страховой компании. Он берется за расследование дела Сэмми Дженкинса, который страдает редкой формой потери памяти. Герою необходимо доказать, что состояние парня связано не с физической травмой, а с психологической. Это позволит компании не выплачивать компенсацию. Леонард успешно справляется с задачей и его повышают в должности. Однажды среди ночи в дом страхового агента проникают неизвестные. Они насилуют жену героя и лишают ее жизни. Одного из них Шелби убивает, но от второго получает сильный удар по голове. Из-за полученного ранения он теряет долговременную память.
Леонард просыпается в гостиничном номере, он не помнит о том, как туда попал. Звонит телефон…Неизвестный начинает с ним разговаривать об истории Сэмми Дженкиса. Оказывается, жена парня поверила в возможность излечения супруга. Будучи диабетиком, она специально перевела стрелки часов. Ее муж вколол ей несколько уколов подряд, в результате чего та умерла от передозировки, а Сэмми отправился в лечебницу.
Леонард рассказывает таинственному незнакомцу о гибели своей жены, а также о своих планах отомстить за ее смерть. Для того, чтобы сохранять воспоминания, он все фотографирует на камеру, пишет на изображениях заметки, а самую важную информацию оставляет на теле в виде татуировок. Человек на другом конце провода дает герою наводку на убийцу его супруги. Леонард находит его и лишает жизни, но он отомстил не тому. Не полагаясь больше ни на чью помощь, герой все же вычисляет настоящего виновника трагедии.
