Leonard Shelby ei kykene muistamaan mitään - paitsi sen, että hänen vaimonsa on murhattu. Aivovaurion takia mies kärsii lähimuistin menetyksestä. Kaikki hänen uudet, vaimonsa kuoleman jälkeiset muistot haalistuvat kymmenen minuutin kuluessa. Leonardin elämä on sirpaleina ja hän yrittää pitää langat käsissään ottamalla kuvia muistutukseksi ja jopa tatuoimalla itseensä tärkeitä asioita. Mies haluaa kostaa vaimonsa murhaajille; mutta tuntuuko edes oikeutettu kosto miltään, jos sitä ei pysty muistamaan ja elämään yhä uudestaan?
Joel Barish järkyttyy kuullessaan, että hänen tyttöystävänsä Clementine Kruzynski on poistanut hänet mielestään. Raivoissaan hän haluaa saman järjestelmän avulla poistaa itsekin Clementinen mielestään. Mutta kun muistot Clementinesta alkavat hämärtyä, Joel rakastaa tätä vieläkin. Ystävänpäivänä 2004 Joel herää kotonaan Rockville Centerissä. Hän on masentunut ja ahdistunut ja päättää lintsata töistä ja lähteä junalla Montaukiin. Kotimatkallaan hän tapaa (uudelleen) Clementinen, eikä muista tästä juuri mitään. Pian Joel saa kuitenkin tietää, että hänellä on ollut suhde Clementinen kanssa, hän ei vain muista sitä.
Evan on kärsinyt pienestä pojasta lähtien muistikatkoksista. Järkyttävät tapahtumat lapsuudessa ovat pyyhkiytyneet hänen mielestään. Nuorena miehenä Evan huomaa pystyvänsä liikkumaan ajassa ja haluaa palata lapsuuteensa korjaamaan rakkaimpaansa kohdistuneet rikokset. Muuttamalla yhden asian Evan kuitenkin muuttaa kaiken ja seuraukset ovat kohtalokkaat.
Jason Bourne pelastetaan merestä keho täynnä luodinreikiä. Herättyään hän ei muista nimeään eikä mitään menneisyydestään. Hänen reaktionsa ovat kuitenkin salamannopeita ja tappavia. Eräänä päivänä hänet tunnistetaan ja helvetti pääsee valloilleen. Pian hänellä onkin murhanhimoiset takaa-ajajat perässään ja hänen on selvitettävä henkilöllisyytensä pelastaakseen henkensä.
Mathilden sulhanen Manoche tuomitaan ensimmäisessä maailmansodassa itsensä haavoittamisesta kuolemaan neljän muun miehen kanssa. Heitä ei teloiteta suoraan, vaan lähetetään itsemurhatehtävään. Mathilde tuntee Manochen olevan elossa ja saa sodan jälkeen kirjeen, joka vihjaa samaan suuntaan. Mathilde lähtee selvittämään miehensä kohtaloa. Leffa voi sotaa käsitteleväksi elokuvaksi olla monen mielestä liiankin valoisa.
Muistinmenetyksestä kärsivä Bourne on jättänyt väkivaltaisen menneisyyden taakseen ja elää tavallista elämää Marie-tyttöystävänsä kanssa. Suunnitelmat rauhallisesta elämästä romuttuvat, kun hän joutuu salamurhayrityksen kohteeksi. Tuntemattoman vihollisen jahtaama Bourne todistaa, ettei hän ole helppo kohde ja ettei hänen taitojaan ja sitkeyttään kannata aliarvioida.
Persianlahden sota, 1991. Jack Starks haavoittuu vakavasti, mutta toipuu lähes entiselleen. Jack palaa kotiseudulleen Vermontiin, jossa hän joutuu syytetyksi murhasta mutta ei osaa varmuudella sanoa, onko syyllinen vai syytön. Jack tuomitaan ja hänet passitetaan vankimielisairaalaan, jossa lääkäri käyttää perin poikkeuksellista ja vielä koeasteella olevaa hoitometodia: hän pumppaa Jackin täyteen lääkkeitä ja työntää hänet pakkopaidassa ruumiskaappiin muutamaksi tunniksi kerrallaan. Kaapissa Jack huomaa matkustavansa ajassa tulevaisuuteen, jossa hän tapaa naisen nimeltä Jackie. Mies alkaa lopulta ymmärtää, että Jackie on hänen ainoa mahdollisuutensa.
Taksikuski Harris juuttuu yövuorollaan pimeään aikaluuppiin, josta ei ole paluuta, muistamatta mitään aikaisemmasta elämästään. Kun viehättävä asiakas Penny istuutuu taksin takapenkille, hänestä tulee kuskin ainoa apu arvoituksen ratkaisemisessa. Mutta äkkiä nainen katoaa takapenkiltä jäljettömiin. Harris nollaa taksamittarin ja yhtäkkiä Penny ilmestyy taas kyytiin. Kuski on juuttunut lopullisesti hämärän rajamaille – hänen ainoa mahdollisuutensa palata normaaliin maailmaan on toistaa tapahtumaa ja yrittää muistaa mahdollisimman paljon. Vai onko kaikella jokin aivan toinen tarkoitus?
Viisi pahoin haavoittunutta ihmistä herää huomaten olevansa vankina hylätyssä voimalaitoksessa. He tietävät vain sen, että he eivät muista. Keitä he ovat, tuntevatko he toisensa, kuka onkaan uhri ja kuka kidnappaaja - kysymyksiä riittää.