L'existence de Leonard Shelby est toute entière consacrée à une vengeance : il traque l'homme qui a violé et assassiné sa femme. Cette recherche en solitaire est compliquée par le fait qu'il souffre d'une forme incurable de perte de mémoire : bien qu'il n'ait pas oublié son passé, il est incapable de se souvenir de ce qu'il a fait dans le quart d'heure précédent...