Miami, Florida. El futuro no muy lejano. El calentamiento global ha inundado la mayoría de las ciudades de la costa este. Los barones de la tierra (piense en los señores de la tierra al estilo de los jefes de la mafia) gobiernan cualquier trozo de tierra seca que puedan conseguir. La ciudad está empobrecida, con algunas personas viviendo en botes y en ciertos barrios marginales; sin hogar. Es el tipo de mundo en el que la gente busca cualquier cosa para escapar y recordar los buenos tiempos.

Aquí es donde entra en juego el antiguo veterano militar Nicholas "Nick" Bannister (Hugh Jackman). Dirige un negocio en el que la gente puede pagar para experimentar viejos recuerdos a través de una máquina especial llamada "reminiscencia", que en su día se utilizaba para los interrogatorios de la policía. Nick narra ocasionalmente a lo largo de la historia, al estilo de las películas noir de la vieja escuela, describiendo el mundo y sus pensamientos durante los acontecimientos que se desarrollan. Él, junto con su compañera y ex veterinaria Emily "Watts" Sanders (Thandie Newton), tiene clientes a través de citas. Esto incluye al viejo compañero veterinario parapléjico de Nick, Hank (Javier Molina), y a un cliente recurrente, Elsa Carine (Angela Sarafayn), esta última acude con frecuencia para experimentar un recuerdo específico una y otra vez que la involucra a ella y a un amante anciano.

En un principio, Nick es llamado por la policía local, en concreto por Avery Castillo (Natalie Martínez), para que investigue a Walter Sylvan (Brett Cullen), un barón de la tierra moribundo que, sin embargo, es famoso por tener un monopolio en la zona. Los servicios de Nick son descartados por llegar tarde a la reunión. Sin embargo, cuando se marcha, escucha a Walter preguntar a su hijo Sebastian (Mojean Aria) si ya la ha encontrado, a lo que éste responde que no.

Un día, justo antes de cerrar la tienda, una misteriosa y seductora mujer llamada Mae (Rebecca Ferguson) llega pidiendo una sesión improvisada para encontrar sus llaves perdidas. Nick acepta y acaba localizándolas. Sin embargo, Nick se queda embelesado con el canto de salón de Mae, en particular con una canción que, según confiesa más tarde, era una de las que cantaba su abuelo antes de morir. Después de encontrarse de nuevo en uno de los trabajos de Mae, ella y Nick acaban estableciendo una relación y se enamoran el uno del otro. Mae le cuenta a Nick una historia sobre cómo acabó en una casa de mar blanca a poca distancia de la costa después de que su barco se alejara.

Meses después, Mae parece haber desaparecido. Parece que Mae ha desaparecido y Nick está revisando sus recuerdos para intentar averiguar dónde ha ido. Watts expresa su preocupación por la obsesión de Nick, pero éste la rechaza, diciendo que la gente no se desvanece sin más. Nick es llamado de nuevo para ver los recuerdos de Falks, un antiguo ejecutor de un señor del crimen llamado Saint Joe (Daniel Wu). Mientras observa los recuerdos, Nick se da cuenta de que Mae está con Joe (junto con un policía corrupto de la patrulla de Joe) y convence a Falks para que siga más veces que había visto a Mae. Finalmente, llega a un recuerdo en el que Mae roba una cantidad considerable de una droga llamada balka a Joe cuando éste está fuera de la habitación, y ataca a Falks cuando la atrapan. Esto hace que Nick empiece a cuestionarse hasta qué punto conocía realmente a Mae, y parte solo hacia Nueva Orleans para interrogar a Saint Joe.

Al llegar a la sede de Saint Joe, Nick intenta inicialmente hacerse pasar por un drogadicto para entrar. Sin embargo, acaba fracasando cuando Joe ve a través de su fachada. Nick deja de actuar y le pregunta a Joe por Mae, pero éste le dice que no la ha visto en mucho tiempo. Joe intenta entonces ahogar a Nick en un tanque de anguilas, pero Watts se lanza al rescate, habiendo seguido a Nick. Se produce un tiroteo (Hank estableció antes que Watts era un buen tirador al principio de la película), que termina con Joe herido de muerte, Nick salvado del tanque y los hombres de Joe muertos. Joe le ruega a Watts que lo saque de su miseria, ya que no quiere morir asfixiado. Watts le obliga y luego lleva a Nick a casa.

Más tarde, después de tamizar más recuerdos de él y Mae, Nick se da cuenta de que Mae había asaltado su bóveda de grabaciones de memoria y robado las que pertenecían a Elsa. También se da cuenta de que ella estaba aliada con el policía corrupto de antes. Ahora se reconoce como un ejecutor de Joe llamado Cyrus Booth (Cliff Curtis). Un molesto Watts le revela que Walter Sylvan ha muerto. El público está furioso porque su monopolio de tierras sigue en pie. Mientras ven salir a Sebastián y a su madre Swati (Mariana de Tavira), Nick se da cuenta de repente de algo. Al volver a la oficina, utiliza su recuerdo de haber visto el recuerdo anterior de Elsa como sustituto de lo robado y luego lo compara con uno que Swati había visto años atrás (era una antigua clienta de Nick). Se lanza una bomba: Walter tuvo una aventura con Elsa hace años, que se quedó embarazada de su hijo, otro hijo.

Al darse cuenta de que Elsa y su hijo están en peligro, Nick está decidido a ir tras ella. Un harto Watts intenta convencer a Nick de que lleve las pruebas a la policía, pero éste cree que la policía no haría nada. Esto desemboca en una discusión. Watts reprocha a Nick su obsesión por encontrar a Mae, mientras que Nick acusa a Watts de trabajar para él como excusa para huir de su familia y de su vida anterior. La despide y arregla su traslado para que trabaje con Avery, lo que hace que Watts se vaya disgustada, diciéndole a Nick que está por su cuenta.

Nick va a la mansión de los Sylvan y cuestiona a Swati sobre la aventura de Walter durante una recreación del recuerdo que Nick tenía archivado de ella (donde le dice a Walter que está embarazada). Ella dice que Elsa fue una de las varias mujeres con las que lo hizo. El interrogatorio es interrumpido por Sebastian, que hace salir a Nick y ordena que lo maten. Sin embargo, uno de los guardaespaldas hace que Nick se salve por ser un antiguo veterano militar, pero le advierte que no tendrá tanta suerte si vuelve. Nick intenta entonces localizar a Elsa, pero un encuentro con una chica residente que la conocía le revela que llega demasiado tarde. Elsa fue asesinada, y su hijo Freddie (el niño con el que Walter la había embarazado) fue secuestrado y aparentemente asesinado también por una mujer, que Nick deduce que es Mae. Nick continúa la búsqueda de Elsa, sólo para ser divertido y sometido por Cyrus, ahora con muchas cicatrices en comparación con su aspecto anterior, que le advierte que se aparte del rastro de Mae. Cyrus llama a alguien (haciendo creer que podría ser Mae) para informarle de que Nick no volverá a molestarle.

Sin inmutarse, Nick persigue a Cyrus hasta una fábrica de basura abandonada llena de indigentes y se enfrenta a él por lo de Mae. Cyrus se regodea y lo incita a intentar matarlo. Huye debido a la vacilación de Nick, y éste le da caza. Los dos se pelean y, a pesar de estar a punto de ahogarse en un momento dado, Nick finalmente se acerca a Cyrus y lo conoce con un sedante.

Nick lleva a Cyrus a su despacho y lo mete en la máquina de recuerdos para interrogarlo. Es aquí donde se revela la verdad: Cyrus había chantajeado a Mae para que trabajara para él. Los dos eran antiguos socios que trabajaban para Saint Joe, pero Mae los abandonó para enderezarse y llevar una vida honesta. La obligó a engañar a Nick para que mantuviera una relación utilizando la información que Hank le había contado sin saberlo, como la canción y fingiendo que había perdido las llaves, con el objetivo de entrar en su cámara acorazada y robar las grabaciones de la memoria de Elsa. Más tarde, ambos localizan a Elsa y a Freddie, y Cyrus se encarga de matar a la primera. Mae, al cambiar de opinión, no secuestró a Freddie, sino que lo rescató y lo puso a salvo antes de que Cyrus la sometiera.

Más tarde, Cyrus la drogó con balka para que le dijera dónde había escondido a Freddie. En cambio, Mae deja un mensaje indirecto para Nick, sabiendo que él verá este recuerdo. Se disculpa por engañarlo y le confiesa que realmente lo amaba y que debería haberle contado todo desde el principio. Mae entonces procede a suicidarse arrojándose a la muerte, dejando a Nick angustiado. Nick decide no matar a Cyrus, pero en su lugar utiliza el recuerdo de que los hombres de Saint Joe lo quemaron y desfiguraron para traumatizarlo, subiendo el voltaje de la máquina para lobotomizarlo eléctricamente.

Sin embargo, hay un último giro. Nick regresa a la mansión de los Sylvan durante otra de las recreaciones de Swati y se enfrenta al verdadero cerebro detrás de todo: Sebastian. Él fue quien ordenó a Cyrus matar a Elsa y Freddie, temiendo que la existencia de Freddie pusiera en riesgo su herencia, y con quien Cyrus había hablado antes por teléfono, no con Mae. Se revela que Freddie está vivo y a salvo en la casa de mar blanca de la que Mae le habló a Nick, rescatado por la policía gracias a una pista de Nick. Sebastian primero amenaza con matar a Nick, y luego a sí mismo, pero Nick no lo acepta. Cuando Nick se marcha, un angustiado Sebastian se deshace en los brazos de su madre.

Nick visita a Watts en su nuevo trabajo. Mientras los dos se reconcilian, Nick confiesa haber freído intencionadamente el cerebro de Cyrus, un crimen castigado con una pena de prisión. A pesar de ello, Nick insta a Watts a contarle todo a Avery y a la policía mientras procede a explicarle toda la historia fuera de la pantalla.

Un tiempo después, se muestra a Nick caminando de vuelta a su oficina mientras Miami es un caos con disturbios por todas partes. A través de la narración, se revela que gracias a la información que Nick dio a la policía, el monopolio de la familia Sylvan sobre las tierras de la ciudad finalmente se ha roto, lo que implica que Sebastian probablemente irá a la cárcel. Nick también da a entender que sólo ha cumplido una pena de cárcel menor por lo que le hizo a Cyrus y que quizás apenas está saliendo durante esta escena. Regresa a su oficina y vuelve a entrar en la máquina de la reminiscencia para disfrutar de los recuerdos que tuvo con Mae.

Avanzamos por última vez hasta muchos años después. Un Nick ya anciano sigue en la máquina, con una Watts igualmente anciana que lo vigila mientras pone flores junto al tanque en el que está. Su nieta le pregunta por qué le cuida, y Watts le dice que tanto ella como Nick tomaron sus propias decisiones hace tiempo. Mientras los dos se van, vemos que Nick está recordando la vez que le contó a Mae la historia de Orfeo y Eurídice, pero de una manera que hace parecer que vivieron felices para siempre. Mientras avanzamos y retrocedemos en este recuerdo, Nick sonríe, contento.