Leonard (Guy Pearce) sufre una extraña deficiencia de la memoria que le hace olvidar lo ocurrido hace escasos momentos a la vez que recuerda perfectamente toda su vida anterior a la violación y asesinato de su mujer, acto a cuya venganza dedica toda su existencia. Sin embargo, su peculiar amnesia provoca que su investigación se desarrolle ardua y extrañamente, intentando reconstruir a cada paso su propia evolución. Fotos y tatuajes en su cuerpo son la guía que le mantienen en el camino.