La vie de Leonard Shelby est entièrement consacrée à rechercher celui qui a assassiné sa femme. Malheureusement, il souffre de pertes de mémoires : bien qu'il se souvienne en détails de son passé, il est incapable de se rappeler du quart d'heure précédent. Il a donc mis au point un système de fiches et de notes pour mener à bien sa mission...