Joel scopre che la sua fidanzata Clementine si è sottoposta a un esperimento psichiatrico per cancellare dalla sua memoria ogni traccia del tempo trascorso insieme a lui. Frustrato dall'idea di essere ancora innamorato di lei, che invece non vuole più saperne di lui tanto da volerlo eliminare dai suoi ricordi, decide di fare altrettànto e si reca presso lo studio del dott. Howard Mierzwaik, inventore del trattàmento, per sottoporvisi. Una volta iniziato il processo di cancellazione però, Joel si rende conto che non è quel che vuole e comincia a nascondere i ricordi legati a Clementine mescolandoli con altri episodi del suo passato...