Леонард Шелди щеголяет в дорогих костюмах и разъезжает на роскошном "Ягуаре", но ночует в убогих мотелях. Всё его существование подчинено одной цели — найти убийцу своей жены. Однако его расследование осложняет редкий недуг: после травмы он помнит всю свою жизнь до рокового события, но не способен удерживать новые воспоминания дольше пятнадцати минут.
Чтобы не упустить нить мести, Леонард создаёт систему — покрывает тело татуировками с ключевыми фактами, делает моментальные фотоснимки и оставляет себе записки. Но в этом хаосе обрывочных воспоминаний сложно отличить правду от вымысла, а помощников — от манипуляторов. Кому можно доверять, когда ты не помнишь, что произошло четверть часа назад?