Dominick "Dom" Cobb (Leonardo DiCaprio) và cộng sự là Arthur (Joseph Gordon-Levitt) là những "người trích xuất", những người sử dụng một công nghệ thử nghiệm của quân đội cho phép xâm nhập vào tiềm thức của đối tượng để đánh cắp thông tin. Đối tượng gần đây nhất của họ là doanh nhân người Nhật, ông Saito (Ken Watanabe). Họ không trích xuất thông tin thành công khi ký ức về Mal (Marion Cotillard) – người vợ đã chết của Cobb, xuất hiện và phá vỡ giấc mơ. Saito cho biết rằng thực ra ông đang thử thách họ trước một nhiệm vụ khó khăn gọi là "ý tưởng khởi nguồn": gieo ý tưởng vào tiềm thức của một người.

Nhằm mục đích phá vỡ tập đoàn năng lượng của đối thủ Maurice Fischer (Pete Postlethwaite), Saito muốn Cobb gieo ý tưởng giải tán công ty vào tâm trí con trai Fischer là Robert Fischer (Cillian Murphy), người thừa kế tập đoàn. Nếu Cobb thành công, bằng ảnh hưởng của mình, Saito sẽ xóa bỏ các cáo buộc Cobb giết người, khi đó Cobb có thể quay trở về nhà với các con của anh. Cobb chấp nhận lời đề nghị của Saito. Cobb tập hợp một nhóm gồm Eames (Tom Hardy), người chuyên giả mạo danh tính và lấy cắp thông tin bằng cách lấy lòng tin đối tượng; Yusuf (Dileep Rao), người bào chế thuốc tạo ra loại thuốc an thần cực mạnh để ổn định "giấc mơ bên trong giấc mơ"; Ariadne (Ellen Page), sinh viên kiến trúc có nhiệm vụ thiết kế mê cung cảnh quan trong giấc mơ; và Arthur. Saito nhất quyết theo cùng để chắc chắn rằng họ thành công.

Khi ông Fischer bố qua đời tại Sydney, Robert Fischer hộ tống thi thể của ông về lại Los Angeles, và nhóm của Cobb nhân cơ hội này tiếp cận Fischer. Cobb gây mê Fischer, đưa anh ta vào giấc mơ chung với những người trích xuất. Sử dụng phương pháp "giấc mơ bên trong giấc mơ", tại một tầng giấc mơ, người mơ giấc mơ ở lại để tạo ra một "cú hích" đánh thức những người khác đang đi vào sâu hơn bên trong giấc mơ đó. Nếu trong trường hợp bình thường, chết trong giấc mơ sẽ khiến người mơ tỉnh giấc, thì loại thuốc an thần dùng để ổn định những giấc mơ này sẽ ngăn chặn điều đó; nghĩa là người nào chết trong khi đang trong nhiệm vụ này sẽ rơi vào limbo, khoảng không tiềm thức nguyên thủy vô hạn định rất khó thoát ra. Limbo không phải là một giấc mơ của riêng ai, mà là không gian chung trong đó một cá nhân có thể gây ra những thay đổi to lớn.

Ở tầng đầu tiên, giấc mơ về trung tâm thành phố trong mưa của Yusuf, cả nhóm bắt cóc được Fischer; tuy nhiên tiềm thức Fischer đã được huấn luyện để đáp trả các cuộc tấn công tiềm thức và khiến Saito bị thương nặng. Eames tạm thời giả dạng người bố đỡ đầu của Fischer, Peter Browning (Tom Berenger), để gợi ý Fischer cân nhắc về di chúc của bố anh. Yusuf ở lại tầng thứ nhất và lái chiếc xe tải, trong đó những người khác được gây mê để tiến vào tầng thứ hai, giấc mơ của Arthur về một khách sạn. Ở tầng này, những người trích xuất tiếp cận Fischer, làm anh ta tin rằng họ là những hình chiếu trong tiềm thức Fischer và chính Browning đã lên kế hoạch bắt cóc anh ta. Tại tầng ba, giấc mơ của Eames về một ngọn núi tuyết, cả nhóm nói với Fischer rằng họ đang ở trong tiềm thức của Browning, trong khi thực ra họ đang đi sâu hơn vào tiềm thức của Fischer. Ở tầng một, Yusuf bị truy đuổi và vô tình lái xe trượt khỏi cây cầu quá sớm, khởi động cú hích làm mất trọng lực trong giấc mơ của Arthur và gây lở tuyết trong giấc mơ của Eames, khiến cả nhóm đều bỏ lỡ cú hích. Arthur ứng biến tạo ra một cú hích mới bằng cách gây ra một vụ rơi thang máy có thể đồng bộ với cú tiếp nước của chiếc xe tải, trong khi cả nhóm trong giấc mơ của Eames khẩn trương hoàn tất công việc trước khi cú hích kế tiếp đến.

Saito không chịu nổi vết thương và ngã quỵ, và hình chiếu Mal của Cobb giết chết Fischer, phá hủy toàn bộ kế hoạch và khiến cả hai rơi vào limbo.[15] Cobb và Ariadne đi vào limbo để tìm Fischer và Saito, trong khi Eames ở lại để tạo ra cú hích bằng cách đặt thuốc nổ xung quanh pháo đài. Cobb tiết lộ với Ariadne rằng anh và Mal đã ở trong limbo "50 năm" để tạo ra một thế giới bằng những ký ức chung của hai người. Tỉnh dậy trong thế giới thực, Cobb và Mal nhận ra rằng chưa đến ba giờ đồng hồ trôi qua. Tin rằng mình vẫn còn đang mơ, Mal tự sát và tuyệt vọng thuyết phục Cobb cũng làm như vậy, bằng cách buộc tội Cobb có liên quan đến cái chết của cô. Đối mặt với bản án giết người, Cobb trốn chạy khỏi nước Mỹ, để hai đứa con của anh lại trong sự chăm sóc của mẹ và bố vợ anh, giáo sư Stephen Miles (Michael Caine). Anh thú nhận rằng ngay từ đầu, chính anh đã gieo vào đầu Mal ý tưởng rằng thế giới thực là giả.

Cobb gạt bỏ mặc cảm tội lỗi về cái chết của Mal. Ariadne giết chết hình chiếu của Mal và đánh thức Robert bằng một cú hích. Bị đánh thức ở tầng thứ ba, Robert chấp nhận ý tưởng đã được cấy ghép: hình chiếu bố anh đang hấp hối trên giường bệnh mong muốn anh sẽ là chính mình. Cobb ở lại tiếp tục tìm kiếm Saito trong limbo còn những người khác theo những cú hích đồng bộ để quay về hiện thực. Cobb cuối cùng cũng tìm thấy Saito – lúc này đã già – và hai người nhớ lại thỏa thuận của mình. Cả nhóm cùng Robert Fischer thức giấc trên máy bay.

Khi về đến Los Angeles, Cobb thực hiện các thủ tục Hải quan thành công và gặp bố vợ đang đợi mình, và sau đó về nhà đoàn tụ với các con. Cobb xoay con quay nhằm xác định mình đang ở trong mơ hay đã thức tỉnh, nhưng bỏ qua nó để chào đón những đứa trẻ.