影片以一个梦境开场。柯布在一位老人的梦境海滩上醒来，被带到老人面前。这个场景的真正含义要到影片结尾才揭晓。随后故事跳转到柯布与搭档亚瑟执行一次针对日本企业家斋藤的盗梦任务——在梦中窃取斋藤脑中的商业机密。任务虽然失败，但斋藤对柯布的能力产生兴趣，提出一个惊人的交易：只要柯布完成一次“植梦”（Inception）——将一个想法植入目标的潜意识，而非窃取——斋藤就运用政治关系帮他洗清谋杀罪名，让他回到美国与孩子团聚。柯布犹豫后接受了任务。

目标是罗伯特·费舍尔，全球最大能源公司即将继承父业的年轻人。任务是让他在脑中产生“解散父亲商业帝国”的想法。柯布在巴黎大学找到岳父迈尔斯教授，请他推荐一位天才建筑学学生。阿丽亚德妮被选中，她的任务是设计梦中世界的迷宫结构——因为植梦需要多层梦境，每一层的场景都要不同。柯布教她梦中世界的规则：梦中的一切都是潜意识投射，改变建筑结构会引起潜意识“防御者”的警觉；如果在梦中死亡，就会醒来——除非使用了强效镇静剂，那样就会坠入“潜意识边缘”（Limbo）的混沌世界。

团队逐步组建完成：除了柯布、亚瑟和阿丽亚德妮，还有能伪造梦中身份的伊姆斯和能调配强效镇静剂的化学师尤瑟夫。他们计划在费舍尔从悉尼飞往洛杉矶的十小时航班上执行任务，设计三层嵌套梦境：第一层是雨天城市，绑架费舍尔并让他相信父亲有一个隐藏的遗嘱；第二层是酒店，让费舍尔进入“教父”的潜意识中探寻父亲的期望；第三层是雪山堡垒，让费舍尔在“与父亲和解”的情感高潮中自行产生“解散帝国”的想法。如果在每一层死亡都会坠入更深的Limbo。斋藤坚持随队同行以监督任务。

任务在飞机上启动。第一层梦境中，费舍尔的潜意识防御异常强烈——他受过专门的潜意识训练。一场激烈的枪战中斋藤中弹重伤。更糟糕的是，柯布已故妻子梅尔的投影出现在梦中，不断试图破坏任务。梅尔是柯布内心深处的执念——他们曾一起进入Limbo，在那里度过五十年的梦境人生。为了唤醒梅尔，柯布在她脑中植入了“这个世界不是真实的”的想法，但这个想法反噬了梅尔，使她在现实中也认为一切都是梦，最终跳楼自杀，并设局让柯布被指控谋杀。梅尔的投影从此成为柯布每次入梦的阴影。

随着团队被迫加速深入第二层和第三层，时间在每一层成倍膨胀——第一层的十分钟是第二层的数小时、第三层的数年。斋藤在第一层濒死，即将坠入Limbo。亚瑟在第二层酒店完成了震撼的零重力走廊打斗——因为第一层的坠落冲击传到了第二层。在第三层雪山堡垒，费舍尔被梅尔的投影杀死，坠入Limbo。柯布和阿丽亚德妮决定深入Limbo寻找费舍尔。在Limbo中，柯布终于面对了与梅尔共同建造的梦境城市，向梅尔的投影坦白真相并告别。阿丽亚德妮带着费舍尔跳回第三层，费舍尔在“与父亲和解”的幻觉中打开了保险箱，看到了父亲留下的遗嘱和“做自己想做的事”的遗言，由此自行产生了解散帝国的想法。

柯布留在Limbo寻找因中弹而坠入此处的斋藤。在Limbo的数十年（现实仅几分钟）后，年迈的斋藤与柯布在一座东方宫殿中重逢。柯布用当年开场的台词唤醒了斋藤的记忆——“你要提醒自己，你在哪里，你是谁“。两人在Limbo中自杀，终于回到了现实。团队在飞机上醒来，费舍尔带着”自己的想法”下了飞机，斋藤兑现承诺打通了电话。柯布在洛杉矶机场入境，终于回到了家。他转动了那个用于判断梦境与现实的陀螺——但在陀螺是否停止旋转（意味着现实）还是继续旋转（意味着梦境）的关键瞬间，镜头切向了在院子里玩耍的孩子们，柯布扔下陀螺奔向他们。陀螺在桌面上微微晃动，影片戛然而止，留下永恒的悬念。