Леонард Шелди выглядит как успешный бизнесмен в дорогих костюмах и за рулём роскошного «Ягуара», но живёт он в унылых дешёвых мотелях. Всё его существование подчинено одной цели — найти и наказать убийцу своей жены. Однако его главное оружие — память — предательски подводит его: из-за редкой формы амнезии он помнит всю свою жизнь до трагедии, но не способен удержать в голове события, произошедшие всего пятнадцать минут назад.
Чтобы не потерять нить расследования, Леонард создаёт собственную систему: он покрывает тело татуировками с ключевыми фактами, делает моментальные фотографии и оставляет себе краткие, жёсткие записки. Но в этом хаосе обрывочных воспоминаний кроется ловушка: как он может доверять даже самому себе, если его прошлое постоянно переписывается, а каждый новый «факт» может оказаться чьей-то умелой манипуляцией?