Joel es un tipo común y algo introvertido que, tras una relación tumultuosa con Clementine, una mujer de espíritu libre y colorido, se siente devastado al descubrir que ella ha decidido someterse a un tratamiento experimental para borrar todos los recuerdos de su amor. Desesperado y herido, Joel se deja llevar por la misma decisión. Así comienza un viaje al interior de su mente, donde los recuerdos de su relación son desenterrados y literalmente desvanecidos.