故事发生在2025年，因为和妻子张代晨（徐静蕾 饰）婚姻破裂，男主角江丰（黄渤 饰）走进记忆大师医疗中心接受手术，却不料手术失误记忆被错误重载，他莫名其妙变成了“杀人凶手”。警官沈汉强（段奕宏 饰）的穷追不舍让他逐渐发现，自己脑内的错误记忆不仅是破案的关键，更是救赎自己的唯一希望。与此同时，妻子身边出现的女人陈姗姗（杨子姗 饰）、记忆中浮现出的神秘女子（许玮甯 饰），似乎也和真相有着千丝万缕的联系，一场记忆烧脑战也随之开始。

重案组警察林薇（白百何 饰）的女儿突然失踪，唯一嫌疑人杨念（黄立行 饰）却在案发当夜横遭车祸并失去记忆。在追踪线索和回忆的逃亡路上，杨念不断遭人暗杀，一心找回女儿的林薇也不惜代价对他步步紧追，重案组组长陆然（明道 饰）在关键时刻对林薇施以援手。真相一层层剥开……