2029年，公安九课在市容很像香港的日本城市“新港市”中执行各种秘密任务。九课因为不顾正当程序的自作主张、强硬行事，往往与政府其他部门起冲突，例如负责外交的公安六课就与九课不合。另一方面，九课之中的重要人物，全身是义体的机械生化人草薙素子，对于自己的现状一直隐隐感到不满。有一天，公安九课因为一件外国政要的刺杀未遂案而开始追查神秘的黑客“傀儡师”。傀儡师能透过网络入侵人脑，植入虚拟记忆，再利用记忆被窜改的对象来达成目的。虽然九课的追查没有成功，藏有傀儡师的“灵魂”的机械生化人却自行来到九课。公安六课随后赶来将傀儡师绑走。草薙素子因为在事前就推测出六课的绑架行动而成功拦截傀儡师。这时发现原来傀儡师并不是人类，而是公安六课设计来非法操纵人类的电脑程式“2501计划”。2501计划在意外中产生自觉意识，决定逃出六课以求生存，并且要求和草薙素子的灵魂“融合”以求进一步发展。草薙素子最后在同事巴特的协助与掩护下完成融合并且脱离政府掌握，下落不明，其意识与整个网络融合。

21世纪末，浩瀚无际的宇宙空间内，太空垃圾回收船日冕号正夜以继日地工作。船员伊万诺夫、大岛、海因茨等人既感烦躁，又觉无聊，只能通过插科打诨派遣抑郁的心情。就在此时，日冕号突然收到一段奇怪的求救信号。信号源自某个太空墓场，其间夹杂着女声所吟唱的普契尼著名歌剧《蝴蝶夫人》的段落。经过漫长跋涉，日冕号终于抵达太空墓场，海因茨和米格尔下船勘查，谁知却在这个与世隔绝的所在发现种种异状。在此之前，拥有传奇华美人生的歌剧演员艾娃似乎盘桓于此，如梦如幻的世界，海因茨和米格尔渐渐迷失在艾娃以及彼此的记忆中，他们深陷幻象无法自拔……
本片为《回忆三部曲》中的一部。

正在读初三的月岛雯是一个喜欢看书的女孩，她每次都能在借书卡上看到一个叫天泽圣司名字，因此她对这个人充满了好奇。 雯一直喜欢写诗，有一天她跟好友夕子在讨论写诗的事，夕子告诉雯自己收到了情书，但事实上夕子已有了喜欢的人。更没有想到的是，夕子喜欢的杉村喜欢的是雯，雯一时间感到十分困惑。 雯无意中来到了一个小店，原来店主是圣司的爷爷。认识了圣司之后，听到了圣司对自己理想的追求之后，也激发了雯对自己理想的追求之念。当圣司离开了到意大利学习做小提琴时，雯决定要专心写作。当雯完成了作品之后，她发现原来自己高估了自己，就这样她选择继续考高中，这时她非常想念圣司。 一天凌晨，她站到窗边，突然看到了一个熟悉的身影……

本片由三段互无关联的故事组成。《她的回忆》：2092年，由伊瓦诺夫领导的太空垃圾回收飞船在返航途中接收到来自“宇宙坟场”的求救信号，特殊的是，信号中掺杂着歌剧《蝴蝶夫人》的唱段。队员汉兹与米格尔前往施救，却进入了一位歌剧演员艾娃的回忆，这些栩栩如生的回忆场景对船员们产生了威胁；《最臭兵器》：供职于制药公司的小职员田中信男拖着病体赶回公司，无意中服用了公司与军方合作的实验药品。自此信男成为了制造致命臭气的肉身工厂，对此毫不自知的信男却按照上司命令将药品样本送往东京总部，一路上引起大面积恐慌，军方不得不派出大批军队半路截杀信男；《大炮之街》：在一座由蒸汽驱动的城市中，一家三口展开了一天的生活。母亲去制造炮弹的工厂上班，父亲在炮台担任装填手，小儿子在学校里学习与大炮相关的知识。炮台不停开炮，但敌人的身影却始终没有出现……

公元2035年，人类被12只猴子军研制的一种病毒侵袭，大部分人类都在这场病毒灾难中死亡，只有少数人侥幸逃生，但也只能在阴暗的地下，苟且偷生。
科学家们决定派人穿越时光回到1996年追查12只猴子军的来历。囚徒詹姆斯·科尔(布鲁斯·威利斯 Bruce Willis 饰)被 挑选为志愿者。阴差阳错，科尔回到了1990年，当他向当时的人们描述未来的那场大灾难时，被当作精神病捉了起来并被医生凯瑟琳·雪莉（玛德琳·斯通 Madeleine Stowe 饰）诊断为精神分裂症。科尔在病友杰弗里·戈因斯帮助下逃脱，回到了未来。因为没查清12只猴子军的来历，科尔再次被派回了1996年。
科尔这次发现了12只猴子军的起源地在费城，他找到了医生凯瑟琳，二人一起展开了追查12只猴子军的冒险之旅!