柯柏（Cobb，莱昂纳多·迪卡普里奥 饰）被海水冲到沙滩上，接着被持枪的守卫带到一个老人的私人会所，和老人经过一番谈话后，场景切换到齐藤（Saito，渡边谦 饰）的梦境里。柯柏、亚瑟（Arthur，约瑟夫·高登-莱维特 饰）和造梦者奈许（Nash，卢卡斯·哈斯 饰）受雇盗取在齐藤意识里的商业计划。柯柏虽然成功地窃取到机密资料，但却发现内容并不完整，且齐藤已经知道他们正在入侵他的梦境。醒来后，四人身处齐藤位于委内瑞拉的私人住处，并开始对齐藤拷打，但齐藤偶然地发现地毯的材质不同，所以依然知道自己还在梦境中。任务宣告失败，所有人在前往大阪的新干线列车上清醒，草草地在齐藤醒来前收拾好仪器。柯柏和亚瑟责怪奈许的错误，而为了逃避雇主的追杀，他们的团队就此解散。柯柏和亚瑟在东京的一家酒店碰面，打算从顶楼搭乘直升机逃走，然而齐藤却在直升机里现身。齐藤告知柯柏和亚瑟，透露他们避难路线的人便是奈许，但是齐藤却反而提供两人一份工作和交易，并命令手下解决背叛同伴及向他泄密的奈许。 植梦的对象是齐藤事业上的竞争对手－莫瑞斯·费雪（Maurice Fischer，彼得·普斯特李威 饰）之子罗勃·费雪（Robert Fischer，斯里安·墨菲 饰），齐藤计划为费雪植入的意念是瓦解他父亲的企业帝国，从而防止这间公司垄断能源市场，而柯柏和亚瑟也毅然接受了任务。 柯柏开始召集团队，首先雇用了伊姆斯（Eames，汤姆·哈迪 饰），能在梦中自由变换外型的老手；还有化学家尤瑟夫（Yusuf，迪利普·李奥 饰），他研发的强效镇定剂能稳定三层梦境的状态；此外还有建筑系学生亚莉雅德（Ariadne，艾莲·佩奇 饰），为新的造梦者。但亚莉雅德在柯柏的梦境受训时，发现柯柏的已故妻子茉儿（Mal，玛丽昂·歌迪亚 饰）不断干扰柯柏的梦境。柯柏至此才告诉亚莉雅德一切的真相，他和茉儿曾在梦境中共同生活了几十年，在梦境中白头偕老，但茉儿自梦中醒来后，仍以为自己仍在梦境中，于是她尝试说服柯柏一起再度自杀而重返现实世界。最后茉儿设下圈套，在他面前坠楼身亡，柯柏自此为了逃脱谋杀的指控而流亡海外。 电影剧照
参与共同梦境的人利用一个仪器相联接，该仪器称作PASIV (Portable Automated Somnacin IntraVenous，可携式自动梦素静脉注射器)，将参与者处于同一个梦境中。在梦境里，受伤会感受到真实的疼痛，在梦境中死去会使参与者从该梦境中醒来。而盗梦者常会使用自制的小物件“图腾”(Totem)作为象征，协助他们分辨是醒著或是在参与别人的梦（比如柯柏用的是金属制的小陀螺、亚瑟则是灌铅的骰子）。梦境中的物体和人物都是做梦者的思想投射，因此可能会遗失一些不易注意到的细节，便可使个人的图腾真假立辨。 齐藤允诺柯柏若任务成功，他将会帮助洗脱柯柏的谋杀罪，让柯柏回国和家人团聚。因为约瑟夫使用强劲的镇定剂而柯柏等人进入数层梦境，原本的“死亡导致退出梦境”的原则已经失效，在梦中死亡的人将进入一种游离状态。在此状态下，即使现实世界只有短短的一瞬间，在梦里会感觉像几十年一样漫长，且这个人将无法区分他的梦境和真实世界。 马瑞斯费雪在雪梨过世后，齐藤安排自己和柯柏等人与罗勃费雪同乘一班客机头等舱飞往洛杉矶。他们在费雪的饮水里下了药，一起进入梦中。那是在大雨滂沱中的纽约市，他们在此绑架了费雪，却被他梦中的护卫发现。在一轮枪战中，齐藤受了重伤。伊姆斯假扮成费雪的教父彼得布朗宁 (Peter Browning)，假装也被绑架，试图从费雪那里套取资料。接着他们坐在约瑟夫驾驶的车里，在被一群佣兵追赶之下，进入第二层梦境。这次的布景是一个酒店，柯柏用计使费雪相信他的意识被入侵，上一层梦的绑架行动是布朗宁所为。柯柏说服他进入布朗宁的潜意识去找出他的动机，但实际上是柯柏等人进入费雪的第三层梦。场景在一个雪山城堡，在这里，费雪必须要进入柯柏等人为他建构的意念（一座保险库里的机密）中。但费雪被柯柏潜意识里跟随而来的茉儿开枪射杀，进入了游离状态，柯柏和亚莉雅德为了完成任务而跟随他来到第四层的游离状态，并与茉儿不期而遇。结果揭示了事实的真相：柯柏曾在茉儿的意念中植入“一切都不是现实”（转动了金属陀螺），使茉儿回到现实后仍以为自己尚在梦中，从而导致茉儿的自杀。茉儿试图说服柯柏留在梦中，甚至袭击他，最后被亚莉雅德开枪打死。费雪和亚莉雅德回到雪山城堡，费雪打开了保险库，领悟到他的父亲是希望且信任他能成为独当一面的经营者。 每一层梦境都有一个人留下，来保护梦中成员的身体不受攻击：约瑟夫在第一层梦驾驶箱型车，亚瑟在第二层的酒店里，伊姆斯和齐藤在第三层的城堡。为了从梦中醒来，柯柏等人必须经由一个“撞击”回到清醒状态:可能是一个强烈的瞬间撞击，或者是突然从椅子上仰倒的下坠感。时间的掌握必须十分 电影剧照
精准才能令撞击一个接一个的发生，使他们成功地从三层梦境中逐层逃出来。但当约瑟夫被费雪的佣兵困在一座桥上而被迫提早撞击时，其他人在每层梦境中完成任务的时间都比预计的减少了。约瑟夫开车载着所有人冲出桥的护栏；亚瑟计划用爆炸使酒店的一层楼坍塌，但由于现实世界会影响到梦境，车里的成员在下降过程中处于失重的状态，亚瑟突发奇想，以爆炸让一部电梯急速坠落而形成撞击；伊姆斯则炸掉城堡使城堡里的成员苏醒。除了齐藤及柯柏之外，其他成员都醒过来。 齐藤在第三层梦中死去，所以柯柏留在游离世界里寻找齐藤。电影回到最开始的一幕，柯柏坐在十分年老的齐藤面前。柯柏告诉齐藤说他们得逃回现实世界，欲举枪自杀。柯柏突然醒来，发现所有人都还在飞机上，齐藤也平安无事的醒了。他兑现了承诺，让柯柏重新返回美国，回到家和孩子们的身边。当柯柏旋转陀螺想证明是否处于现实世界，就被孩子们的叫声打断了。那个陀螺仍然在转，但稍稍不稳，介乎于继续转和跌下来之间。此时影片结束。
