一个浸润着鲜红与纯白的爱情故事，写在一本洒满昏黄的笔记本上，被一位老先生(詹姆斯·加纳 饰)，一遍一遍的讲述。老太太(吉娜·罗兰兹 饰)总是静静的听着，好奇的追问结果。在一家疗养院，这样不变的场景每天都会上演。
笔记本上，秀美的字迹，记载着发生在那个夏天的爱情。艾莉(瑞秋·麦克亚当斯 饰)是富有人家的千金，她随家人来到小镇避暑。在一个充满梦幻的游乐场，邂逅了诺亚(瑞恩·高斯林 饰)。诺亚没有钱，却活的很快乐。艾莉在他那学会了自由，得到了欢笑，两人很快热恋起来。然而在艾莉父母的阻挠下，相爱的两个人，就被分开在夏天结束的那一刻。随着诺亚的365封信被偷偷藏起，艾莉在7年后终于放弃了等待。就在她要步入教堂的前一天，突然在报纸上看到了诺亚曾许诺给自己建造的白色房子。一切记忆，全部苏醒……
也许，应该苏醒的，不是故事中的，而是听故事的人。

故事发生在大断电30年后。复制人K（瑞恩·高斯林 Ryan Gosling 饰）是新一代的银翼杀手，在如今的世界里，人类和复制人之间的界限划分的更加明确，复制人从刚一制造出来就被灌输了服务于人类的思想，绝对不被允许产生人类的感情。
某日，一具女性复制人的遗骨被挖掘了出来 ，令陆军中尉乔什（罗宾·怀特 Robin Wright 饰）感到震惊的是，这名女性复制人生前不仅怀过孕，还将孩子生了下来，这个孩子的存在将会彻底破坏政府苦心经营的规则和秩序。乔什命令K找出这个孩子，并将他杀死。在一间废弃的农场里，K发现了一些线索，然而，这些线索竟然和他被植入的过去的记忆有着千丝万缕的关联。与此同时，复制人尼安德（杰瑞德·莱托 Jared Leto 饰）和他的手下拉芙（西尔维娅·侯克斯 Sylvia Hoeks 饰）也在寻找着这个孩子的下落。