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在一次聚会中,内向沉稳的约尔•巴瑞斯(金•凯瑞 饰)邂逅了率真随性的克莱门汀•克罗斯基(凯特•温丝莱特 饰),二人迅速坠入爱河。然而,和许多情侣一样,他们的关系也在甜蜜与争吵中摇摆不定。
2004年情人节前夕,约尔精心准备了一份礼物,试图为不久前的一次争吵向克莱门汀道歉。然而,当他发现克莱门汀竟然完全忘记了他时,他感到震惊不已。原来,冲动的克莱门汀受不了两人交往中的争吵,于是去了“忘情诊所”,将关于约尔的记忆彻底删除。
约尔无法接受克莱门汀的任性行为,也无法忍受失去她的痛苦。因此,他也前往“忘情诊所”,请求医生霍华德博士(汤姆•维尔金森 饰)帮助他消除关于克莱门汀的记忆。
记忆清除程序开始启动,约尔在自己的记忆中游走,他发现与克莱门汀一起度过的时光既痛苦又甜蜜,都无比珍贵。他并不想忘记这个深爱的女人,但一旦程序启动就无法逆转。约尔只能想方设法将克莱门汀藏匿在记忆的最深处,那些现实中从未出现过的时间角落,以保存这份爱情……