Oscar e sua sorella Linda abitano da poco a Tokyo. Per sopravvivere, lui è diventato un piccolo spacciatore di droga e lei fa la spogliarellista in un night club. Una sera, durante una retata di polizia, Oscar viene ferito da una pallottola. Mentre agonizza, il suo spirito, fedele alla promessa fatta alla sorella di non abbandonarla mai, si rifiuta di lasciare il mondo dei vivi, ed inizia a vagare attraverso la città. E nelle sue visioni, sempre più caotiche e da incubo, passato, presente e futuro si confondono in un vortice allucinatorio.

Il XXI secolo è appena cominciato e una guerra chimica ha reso vivibili solo due zone della terra: l’Unione Federale di Britannia e la Colonia, dove vive Douglas Quaid (Colin Farrell), impiegato presso una fabbrica di robot poliziotti. Nonostante la meravigliosa storia d’amore con la moglie Lori (Kate Beckinsale), è alla ricerca di una vacanza per staccare dalla monotona vita da operaio. Spinto da questo desiderio, Douglas viene attirato dal servizio che offre la Rekall, un’azienda che trasforma i sogni in ricordi reali: decide quindi di concedersi un viaggio mentale per calarsi nei panni di una superspia.
Durante la procedura di innesto dei ricordi il sistema va in tilt. Douglas si ritrova a essere ricercato dalla polizia, controllata dal leader del mondo libero, il cancelliere Vilos Cohaagen (Bryan Cranston). Ormai, solo e diffidente persino nei confronti della moglie, Douglas cerca di capire il motivo della sua esistenza e solo grazie all'aiuto della ribelle Melina (Jessica Biel), che lavora per il capo di una segreta resistenza, riuscirà a scoprire la sua vera missione.