Se sentant blessé et trahi, Joel décide de subir la même procédure, réalisée par la société Lacuna Inc.. Au cours de la procédure, cependant, Joël change d'avis et décide qu'il veut garder les souvenirs de Clémentine. Dans son esprit, il revisite ses souvenirs d'elle alors qu'ils sont effacés, essayant de la cacher dans des parties obscures de son esprit pour la préserver. Au fur et à mesure que la procédure progresse, Joël se rend compte qu'il ne veut pas oublier Clémentine, et il se bat pour garder ses souvenirs d'elle intacts. Pendant ce temps, deux des techniciens effectuant la procédure, Stan (Mark Ruffalo) et Mary (Kirsten Dunst), sont confrontés à leurs propres problèmes personnels, et le technicien principal, le Dr Mierzwiak (Tom Wilkinson), lutte pour maintenir son intégrité morale dans le visage des implications éthiques de l'effacement de la mémoire des gens. Alors que les souvenirs de Clémentine de Joel commencent à s'estomper, il se rend compte qu'il ne veut pas perdre les souvenirs de leur relation, même s'ils étaient douloureux. Il court dans son esprit, essayant de préserver autant de temps que possible ensemble, et finit par se rendre compte de l'importance de la mémoire et de la nature des relations.