Joel is er nogal van ondersteboven dat zijn vriendin Clementine al haar herinneringen aan hun nogal tumultueuze relatie heeft laten wissen.
Wanhopig neemt hij contact op met de uitvinder van het bewuste proces, Dr. Howard Mierzwiak, om zo Clementine uit zijn eigen geheugen te laten verwijderen.
Maar als Joels herinneringen aan Clementine langzaam beginnen te verdwijnen, begint hij zijn liefde voor haar opnieuw te ontdekken. Hij probeert uit alle macht het proces, dat zich diep in zijn hersenen voltrekt, tegen te gaan.
Terwijl Dr. Mierzwiak en zijn crew hem najagen door zijn eigen herinneringen, wordt het Joel meer en meer duidelijk dat hij Clementine niet uit zijn hoofd wil krijgen.