Après un an de vie commune, Joel (Jim Carrey) et Clémentine (Kate Winslet) ne voient plus que les mauvais côtés de leur tumultueuse histoire d'amour. Bien décidée à tourner définitivement la page, Clémentine fait appel au procédé Lacuna, qui efface toute trace de cette aventure dans sa mémoire. Effondré, Joel décide de faire de même. Mais alors que débute le processus et que défilent dans sa tête tous les souvenirs de leur relation, il se met à lutter de toutes ses forces pour préserver ce trésor.