Leonard Shelby ha un disturbo della memoria a breve termine che gli impedisce di ricordare persone e fatti accaduti anche pochi minuti prima. Causa di tutto ciò è l'aggressione da parte dell'uomo che ha violentato e ucciso la moglie di Leonard. L'unico suo desidero è vendicarsi ma per venire a capo dell'indagine deve tenere a mente quello che dice e quello che fa attraverso fotografie, cartelline, tabelle, tatuaggi.