内向而沉稳的约尔·巴瑞斯（金·凯瑞 饰）在一次聚会中邂逅了率真随性的克莱门汀·克罗斯基（凯特·温丝莱特 饰），两人迅速发展为情侣关系。和普通情侣一样，他们的生活充满了甜蜜与争吵。 在2004年情人节前夕，约尔精心准备了礼物，打算为之前的一次争吵向克莱门汀道歉，却惊讶地发现克莱门汀完全不记得他了。原来，克莱门汀因无法忍受两人关系中的争吵，冲动地去“忘情诊所”删除了关于约尔的所有记忆。 约尔既无法原谅克莱门汀的任性，也无法承受失去她的痛苦，于是他也来到“忘情诊所”，请求霍华德博士（汤姆·维尔金森 饰）抹去关于克莱门汀的记忆。 当记忆清除程序启动时，约尔在自己的记忆中游走，意识到与克莱门汀共度的时光，无论是痛苦还是甜蜜，都是如此珍贵，他并不想忘记这个深爱的女人。然而，程序一旦启动便无法逆转，约尔只能竭尽全力将克莱门汀藏在记忆的最深处，那些现实中她从未出现过的时间角落，以此来保存这段爱情……