Joel Barish và Clementine Kruczynski quen nhau trong một buổi tiệc trên bãi biển Montauk, New York. Joel để ý tới Clementine vì chiếc áo khoác da cam và mái tóc nhuộm xanh lục của cô. Joel, một người trầm tính, nhút nhát, yêu thích vẽ và viết, nhanh chóng yêu quý Clementine, một cô gái sôi nổi, bốc đồng, thường xuyên thay đổi thuốc nhuộm tóc. Hai người có nhiều ý thích chung và nhiều kỉ niệm hạnh phúc, tuy nhiên những điểm khác biệt giữa họ cuối cùng cũng biến thành những cuộc cãi vã và kết thúc bằng việc Clementine bỏ Joel chỉ vài ngày trước lễ Tình yêu vì anh lỡ mồm xúc phạm cô.

Ba ngày trước lễ Tình yêu (14 tháng 2), Joel tới hiệu sách với ý định xin lỗi Clementine và chuẩn bị cho ngày Valentine. Anh phát hiện ra rằng Clementine tỏ vẻ không biết anh là ai, hơn thế cô còn tỏ vẻ thân mật với một người đàn ông lạ mặt có tên Patrick. Tới tâm sự với đôi vợ chồng bạn thân Carrie và Bob, Joel mới biết rằng Clementine đã tới công ty Lacuna để xóa sạch ký ức về anh và bắt đầu một cuộc sống mới mà không còn bất cứ khái niệm nào về Joel. Buổi sáng ngày 12, Joel tới công ty Lacuna và được bác sĩ Howard Mierzwiak giải thích lý do Clementine muốn xóa sạch hình ảnh của anh trong trí nhớ vì cô không thấy hạnh phúc khi sống với anh. Quá đau khổ, chỉ một ngày sau Joel quyết định tới lượt mình xóa sạch ký ức về Clementine. Tối đêm trước lễ Valentine, Stan và Patrick, hai kĩ thuật viên của công ty Lacuna tới nhà Joel để xóa sạch ký ức của anh về Clementine trong lúc anh đang ngủ. Trong lúc đang tiến hành xóa trí nhớ Joel, Clementine gọi điện cho Patrick, người làm quen với cô nhờ chính những chi tiết ký ức về Joel mà cô đã đề nghị xóa, và đề nghị anh tới nhà cô ngay. Kĩ thuật viên còn lại là Stan thì bận vui vẻ với Mary, thư ký công ty Lacuna, và không để ý rằng Joel, trong giấc mơ của mình, đã tìm cách lẩn tránh khỏi quá trình xóa ký ức và giữ lại hình ảnh Clementine cho mình. Khi phát hiện ra trục trặc, Stan vội gọi điện cho bác sĩ Mierzwiak. Howard Mierzwiak tới nhà Joel và cuối cùng ông cũng lần được dấu vết ký ức về Clementine trong não của anh. Trong lúc đó Mary lại tỏ tình với Mierziwiak, cô nói rằng mình đã yêu ông từ lâu, hai người hôn nhau trong sự chứng kiến từ xa của Hollis, vợ bác sĩ. Vội vàng tới xin lỗi và giải thích cho vợ Mierzwiak, Mary bất ngờ biết rằng cô đã từng có quan hệ tình cảm với bác sĩ từ trước và đã từng xóa ký ức để quên đi hình ảnh của ông. Còn trong giấc mơ của mình, Joel mất dần ký ức về Clementine, hình ảnh cuối cùng của cô với anh là khi Clementine thì thầm vào tai Joel rằng hãy gặp cô ở Motauk.

Sáng ngày lễ Tình yêu Valentine, Joel tỉnh giấc với ý định sẽ đi làm như mọi ngày, vì anh là người cô đơn. Nhưng ở phút cuối đứng trên ga tàu, anh lại quyết định tới Montauk mà không hiểu tại sao mình lại muốn tới một nơi lạnh lẽo với bãi biển trài dải vắng lặng như vậy. Tại Montauk anh gặp một cô gái mặc áo da cam với mái tóc nhuộm xanh lam, người duy nhất anh gặp khi đi dạo trên bãi biển. Trên chuyến tàu quay trở về thành phố, cô gái chủ động đến làm quen với Joel, hai người phát hiện ra họ có nhiều điểm trùng hợp như cùng xuống một bến tàu, Joel thường xuyên đến hiệu sách nơi cô gái làm việc. Cô tự giới thiệu tên mình là Clementine và cô rất ngạc nhiên khi Joel không biết về bài hát quen thuộc "Oh My Darling, Clementine" mà nhân vật hoạt hình Huckleberry Hound thường hát. Hai người nhanh chóng trở nên thân thiết và Clementine mời Joel về nhà mình tối ngày lễ Valentine. Buổi tối một ngày sau, Clementine hẹn Joel tới nơi yêu thích của cô, dòng sông đóng băng, để hai người có thể nằm ngắm những ngôi sao trên bầu trời tối. Về phần Mary, sốc với việc bác sĩ Mierzwiak che giấu cô sự thật về tình cảm giữa hai người, cô lấy toàn bộ hồ sơ bệnh nhân của công ty Lacuna để gửi tới từng người sự thật. Trên đường tới nhà Joel, Clementine bật cuộn băng bệnh án của cô và chợt nhận ra rằng cô và Joel đã từng có tình cảm, cũng như cô bỏ Joel vì không còn chịu nổi cuộc sống bên anh. Rời khỏi xe Joel và quay trở về nhà, cuối cùng Clementine quyết định tới nhà Joel để xin lỗi, cô bước vào nhà anh cùng lúc Joel đang bật cuộn băng bệnh án của anh. Đối mặt với sự thật rằng hai người đã từng yêu nhau sâu sắc, và rồi không thể chịu đựng được nhau, Joel và Clementine vẫn quyết định làm lại từ đầu.