Hacia el año 2050, Marjorie (Smith), de 85 años, experimenta los primeros síntomas de la enfermedad de Alzheimer. Para reconfortarla, su hija Tess (Davis) y su yerno Jon (Robbins) contratan un servicio llamado Prime, diseñado para ayudar a los enfermos de Alzheimer mediante la creación de proyecciones holográficas de familiares fallecidos que son "alimentadas" con los recuerdos de los pacientes para que puedan "recontarlos" en caso de que los olviden. Marjorie ha elegido una versión más joven de su difunto marido Walter (Hamm), fallecido hace quince años. Esta elección perturba a Tess, ya que no confía en las funcionalidades del sistema, por lo que no habla con el holograma de Walter. Marjorie le cuenta historias de su vida a Walter Prime y disfruta escuchando cómo se las devuelve, normalmente pidiéndole que adorne algunas para hacerlas mejores y más bonitas la próxima vez que se las cuente, para que la nueva historia se convierta en su nuevo recuerdo. Mientras tanto, Julie (Andujar), la cuidadora de Marjorie, se muda con la familia para cuidarla y le confía a Walter.

Con el tiempo, Walter Prime siente curiosidad por la vida personal y profesional del verdadero Walter y comienza a preguntarle a Jon sobre ella. Parece desear saber la razón por la que no podía decir a sus hijos lo mucho que los quería. Jon le cuenta a Walter Prime un secreto familiar que nunca debe repetir a Marjorie: ella y Walter tuvieron un hijo llamado Damian que se suicidó cuarenta años antes y, antes de hacerlo, mató al querido perro de la familia Toni II (un caniche francés negro que se parecía al anterior perro de la familia, Toni) para llevárselo. Marjorie no ha dicho el nombre de Damian desde entonces. A pesar de la comprensión de Walter Prime de no decírselo, Marjorie pregunta de repente por Damian en un ataque de demencia. Tess encuentra una Biblia en la mesa del salón y acusa a Julie (que se la había regalado a Marjorie) de aprovecharse del estado de Marjorie para manipularla religiosamente (ya que Marjorie siempre ha sido atea), lo que provoca que Marjorie se altere y se orine.

Más tarde, Tess y Marjorie están sentadas en el sofá hablando. Pronto se revela que Marjorie ha muerto y que Tess está hablando con una versión Prime de Marjorie; Jon le recomendó el Programa Prime a su esposa para ayudarla a sobrellevar la muerte de su madre. Tess sigue siendo muy escéptica respecto al programa Prime, sobre todo porque Marjorie Prime sonríe constantemente y parece ser demasiado comprensiva para suplantar realmente la personalidad real de Marjorie. Esto lleva a Tess a darse cuenta de que ha elegido la versión envejecida de su madre porque es la versión a la que todavía tiene cosas que decir. Mientras tanto, en un flashback de cuando Walter estaba vivo, él y Marjorie están sentados en el sofá viendo las noticias de la noche, en las que se muestra "The Gates", una exposición de arte de Christo y Jean-Claude que tuvo lugar en Central Park durante febrero de 2005. Como se explicó en una escena anterior, esto ocurre poco después de que el hijo de Walter y Marjorie, Damian, mate a Toni II y se suicide. Walter y Marjorie se emocionan y se abrazan.

Un tiempo después, Jon habla con Tess en el salón. Se revela entonces que es una versión Prime de ella; ha pasado un año y Tess, aparentemente aún incapaz de lidiar con la muerte de Marjorie, se había ahorcado durante unas vacaciones en Madagascar. Jon trae a la nieta de Tess para que conozca a Tess Prime, ya que nunca conoció a la verdadera Tess en vida debido al distanciamiento de Tess con su hija.

Años después, la nieta de Tess ha crecido y Jon es muy mayor. En el salón de la casa, Walter Prime, Marjorie Prime y Tess Prime hablan de los viejos tiempos, reviviendo viejos recuerdos. Discuten un recuerdo del perro Toni, creyendo que Tess fue quien lo eligió. Walter les dice que Tess no eligió a Toni: lo hizo Damian. La eligió porque se parecía a su antiguo perro, también llamado Toni, que murió antes de que Tess naciera y del que nunca supo que existía. Después de escuchar la historia, Marjorie y Tess también recuerdan a Damian. Mientras Walter se disculpa por entristecerlas, Marjorie responde diciendo que lo único que se le ocurre es "qué bonito que podamos querer a alguien".