当他们第一次见面，他是高谈阔论的有志青年，她是向往成为名演员的未来之星。而如今，婚后的他们变了。他变成了在公司做不喜欢工作的无聊上班族，她成了不入流的糟糕演员。在一次演出后，丈夫弗兰克（莱奥纳多•迪卡布莱里奥饰）与妻子爱波（凯特•温斯莱特饰）大动肝火，两人多年的积怨终于爆发。莫非婚姻真的躲不过七年之痒？悲痛的爱波整理照片，发现弗兰克年轻的照片，想起他曾经描述的“美好的巴黎”，她提出了一个计划“全家搬到巴黎”，以拯救这个家庭。但是，这看似遥不可及的计划，却成为了催化剂，将两人推向婚姻更痛苦的深渊。

内向沉稳的约尔•巴瑞斯（金•凯瑞 饰）在一次聚会中认识了率真随性的克莱门汀•克罗斯基（凯特•温丝莱特 饰），二人成为情侣。和普通的情侣一样，他们的日子也在甜蜜和争吵中度过。
2004年情人节前夕，当约尔精心准备好礼物，为不久前一次争吵找到克莱门汀道歉时，他惊讶地发现，克莱门汀根本都不记得他了。原来冲动的克莱门汀受不了二人交往中争吵的痛苦，到“忘情诊所”，把关于约尔的记忆删除得一干二净。
约尔无法原谅克莱门汀的任性，也无法忍受失去她的痛苦，所以他也到了“忘情诊所”，请求医生霍华德博士（汤姆•维尔金森 饰）消除关于克莱门汀的记忆。
记忆清除程序开始启动，约尔在自己的记忆中游走，他发现和克莱斯汀一起度过的那些时光，无论是痛苦还是甜蜜，都弥足珍贵，他并不想忘记这个自己深爱的女人。但是，程序一旦启动就无法逆转，约尔只能想尽办法把克莱斯汀藏到记忆最深的地方，那些现实中克莱斯汀本来没有出现过的时间角落，以保存这份爱情……