Cobb被海水冲到沙滩上，接着被带到一个很老的人的私人会所。
场景接着切换在Saito的梦境里，Cobb, Arthur，还有梦境建筑设计师Nash正在执行一个艰巨的任务——他们被Saito的竞争对手雇佣来探求Saito所知的商业计划。做梦的人彼此睡得很近，互相用一个能使他们的思想分享同一个空同建造的梦境的仪器相联接。梦境的规则是这样的：人们在梦境中受伤会感受到十分真实的疼痛，但是在梦境中死去，只会使人们从梦境中醒来。做梦的人用一种自己做的小物件作为一种象征，通常用来证实他们是在行着还是在梦中，比如Cobb用的是个金属的小陀螺。迷幻的梦境中有其他的人参与做梦，——他们都服用一种特殊的药品，使得他们在梦境中还在一起。物体和角色在梦境中都是做梦者思想的映射，这种映射可能会缺失一些不容易注意的细节。剧照Cobb找到了他们需要的信息，但发现信息是不完整的，Saito其实知道他们在入侵他的梦境。Saito醒来发现自己在他的秘密的避难所。他告诉Cobb他入侵是显而易见的，但他很惊奇的发现他还在梦中，因为他发现一块在地上的地毯的材料是错的。任务被弃止，所有人都醒了过来。Cobb和Arthur责怪Nash错误的设计了避难所的地毯材料。为了逃避雇主的追责他们的团队就此解散并离去。Cobb和Arthur在一家东京酒店碰头并打算在那里的顶层楼台上通过直升机逃走。然而当他们正要踏上直升机的时候，Saito出现了。Nash也在他的麾下，他还告诉Cobb和Arthur他们的建筑设计师已经出卖了他们，Nash给了把他们归途的逃生路线也给了他。Saito给了Cobb一支手枪来杀掉Nash,但是他拒绝了。Saito命令他的手下把Nash干掉了。
Saito没有除掉他们，相反他对Cobb和Arthur表现得十分友好，他是要他们执行一项入侵——给做梦的人在不知不觉中创造一个意念，而这个任务是要在梦中做梦才能实现。植梦任务的对象是Robert Fischer，是与Saito势均力敌的、正在病危中的竞争对手Maurice Fischer的儿子，目的是给年轻的Fischer植入一个意念使得他瓦解破坏他父亲的帝国，从而防止他父亲的公司变成全球垄断巨头致使Saito无栖身之地。Cobb和Arthur接受了任务。Saito指使他们要找个更好的建筑设计师。Cobb不仅雇用了Eames，一个在梦中拥有转换身份能力的人，还有化学家Yusuf，他研发了一种可以促成梦中梦的药剂，另外还有Ariadne，是Cobb和Arthur一起把她训练成了他们的新的建筑设计师。但Ariadne在Cobb 的梦里受训时，她了解到一直在困扰Cobb的正是不断萦绕在他的梦境中的他已故妻子Mal的影像。Cobb告诉Ariadne 他和Mal在游离的梦境中已经感觉像活了几十年一样，那已经成为了他们生命中的一部分。Mal在从游离状态理解拖后，还一直在无法分辨是梦境还是真实的世界之间苦苦的挣扎，最后她说服自己仍然还在梦境中，而且她认为的真实世界在她死后必将到来。最终这种信念致使她自杀，以用来说服Cobb和她一起死而复生。但是，Cobb拒绝了她，而且他还得为了逃脱谋杀的指控而流亡海外（Mal告诉他在她自杀前她曾告诉别人是Cobb在威胁她要杀害她）。作为这次任务的回报，Saito承诺他保证能使那些指控罪名消失，使他能重新回到孩子们的身边。由于多层梦境深度的复杂关系，原本的死亡导致退出梦境的原则将会失效，在梦中被杀掉的人将进入一种游离状态，在这种状态下，即使现实世界只有短短的一瞬间，在梦中梦里会感觉几十年一样漫长，而且这个人将无法区分他的梦境和真实世界。
老Fischer在悉尼死去后，Saito安排了他自己和Cobb等人一起与小Fischer同乘一般头等舱客机从悉尼飞往洛杉矶。他们在Fischer的水里下了药并一起进入了他的梦中，那是一个下着雨的城中心，他们绑架了Fischer，却被他的梦中护卫们发现了，并且Saito付了重伤，但是还活着。Eames假扮成Fischer的教父Peter Browning的样子，用假装也被绑架试图从Fischer那里套取信息。之后他们坐在Yusuf开的车里被一群雇佣军追赶着，进入第二层梦境，这个梦境是在一个酒店里，在那里他们用计使得Fischer相信他的梦正在被入侵，并且使他相信发生在上一个梦里的绑架行动是由Browning指使的。Cobb说服他进入Browning的潜意识去找出他的动机，但实际上是Cobb等人进入Fischer更深层的梦——第三层梦是在一个雪山城堡，在那里Fischer一定要进入Cobb等人为他策划的意念中，但是Fischer被Cobb下意识中带来的Mal杀掉了，而后他进入了游离状态。Cobb和Ariadne为了完成任务而跟随他来到第四层梦境，并与Mal不期而遇。结果揭示了Cobb曾经在Mal的意念中植入想要醒来的想法，从而直接导致了Mal的自杀。Mal 想要试图说服Cobb留在游离状态中，还袭击了他，但是Ariadne开枪并打死了她。Fischer和Ariadne得以回到了雪山城堡，在那里Fischer领悟到了他的父亲是希望并信任他成为自己的继承人。 每个新的梦境的开始都会使一个人被留下来和那些雇佣军作战来保护梦中的成员的身体不受攻击；Yusuf开着轿车，Arthur在酒店里，Eames和Saito在城堡里。为了从梦中醒来，Cobb等人必须要经历一个“踢打”把他们带回清醒状态——“踢打”可以是一个尖锐的瞬间撞击，或者突然摔倒的感觉。他们的计划必须十分精准才能使踢打一个接一个的发生，已使得他们成功地从三层梦境中一一醒来，而且由于现实的时间相比梦中变慢了，这些踢打发生的也变得更长。当Yusuf在Fischer的潜意识里被困在一座桥上而被迫提早发出踢打时，事情发生了错误的转变，也就是其他人在每层梦境中要完成任务的时间都比预计的变少了。Yusuf开着车载着所有人来冲出桥的边缘；Arthur计划用爆炸使酒店的一层楼坍塌，剧照但是，由于现实世界会影响到梦境，车里的成员在下降过程中造成一种失重的状态，Arthur被迫突发奇想，用爆炸把一部电梯急速推向极顶，来引起一个瞬间撞击从而形成“踢打”；Eames则计划炸掉城堡使城堡里的成员促醒。 Cobb被卡在了游离世界里，同样Saito伤势过重死在梦中梦里而留在了游离状态里。电影转换到最开始的一幕，Cobb坐在一个十分老的Saito面前，Saito告诉他说他们得逃回到现实世界里。Saito拿起枪欲自杀而苏醒。Cobb突然醒来发现所有人都坐在飞机里，包括Saito，也好好的醒来了。Saito兑现了承诺，Cobb重新返回美国，回到家回到孩子们的身边。Cobb旋转陀螺想证实是否处于现实世界，但是被孩子们打断了。陀螺开始变得不稳，但此时影片结束了，把Cobb是否还在梦中的疑问留给了观众。
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