内向沉穩的約爾•巴瑞斯（金•凱瑞飾）在一次聚會中認識了率真随性的克萊門汀•克羅斯基（凱特•溫絲萊特飾），二人成為情侶。和普通的情侶一樣，他們的日子也在甜蜜和爭吵中度過。2004年情人節前夕，當約爾精心準備好禮物，為不久前一次爭吵找到克萊門汀道歉時，他驚訝地發現，克萊門汀根本都不記得他了。原來沖動的克萊門汀受不了二人交往中爭吵的痛苦，到“忘情診所”，把關於約爾的記憶删除得一幹二淨。約爾無法原諒克萊門汀的任性，也無法忍受失去她的痛苦，所以他也到了“忘情診所”，請求醫生霍華德博士（湯姆•維爾金森飾）消除關於克萊門汀的記憶。記憶清除程序開始啓動，約爾在自己的記憶中遊走，他發現和克萊斯汀一起度過的那些時光，無論是痛苦還是甜蜜，都彌足珍貴，他并不想忘記這個自己深愛的女人。但是，程序一旦啓動就無法逆轉，約爾只能想盡辦法把克萊斯汀藏到記憶最深的地方，那些現實中克萊斯汀本來沒有出現過的時間角落，以保存這份愛情……