1928年美国洛杉矶，在电话局接线台工作的克莉斯汀·柯林斯（安吉莉娜·朱丽 饰）独自抚养儿子沃尔特（加特林·格里菲斯 饰），母子的生活简单而幸福。然而她们的生活很快被打乱，某天当克莉斯汀下班后，发现儿子不见踪影。
在公众舆论的压力下，洛杉矶警方于5个月后找回了沃尔特，但克莉斯汀发现这并非自己的亲生儿子。她三番五次要求警方继续寻找真正的沃尔特，却一次次受到警方的阻挠和指责，甚至以妨碍警方公务的罪名被送入精神病院。一向以揭露警方暴行为己任的牧师古斯塔夫·布里格拉伯（约翰·马尔科维奇 饰）了解到这个可怜女人的不幸遭遇，奔走呼告向警方施压，终于从精神病院把她救了出来。
另一方面，探员莱斯特（Michael Kelly 饰）在侦办一件偷渡案时，无意中发现了一起重大的连环儿童杀人案。少年沃尔特的失踪案似乎渐露眉目……

道姆·柯布（莱昂纳多·迪卡普里奥 Leonardo DiCaprio 饰）与同事阿瑟（约瑟夫·戈登-莱维特 Joseph Gordon-Levitt 饰）和纳什（卢卡斯·哈斯 Lukas Haas 饰）在一次针对日本能源大亨齐藤（渡边谦 饰）的盗梦行动中失败，反被齐藤利用。齐藤威逼利诱因遭通缉而流亡海外的柯布帮他拆分他竞争对手的公司，采取极端措施在其唯一继承人罗伯特·费希尔（希里安·墨菲 Cillian Murphy 饰）的深层潜意识中种下放弃家族公司、自立门户的想法。为了重返美国，柯布偷偷求助于岳父迈尔斯（迈克尔·凯恩 Michael Caine 饰），吸收了年轻的梦境设计师艾里阿德妮（艾伦·佩吉 Ellen Page 饰）、梦境演员艾姆斯（汤姆·哈迪 Tom Hardy 饰）和药剂师约瑟夫（迪利普·劳 Dileep Rao 饰）加入行动。在一层层递进的梦境中，柯布不仅要对付费希尔潜意识的本能反抗，还必须直面已逝妻子梅尔（玛丽昂·歌迪亚 Marion Cotillard 饰）的处处破坏，实际情况远比预想危险得多……