故事的开始，是一个寒冷的二月清晨。一个名叫乔尔的男人，鬼使神差地在工作日早上跳上了一辆开往蒙托克海滩的列车。他不喜欢冒险，他甚至从来不请假。可是那天他就是不想去上班。他在海风里走着，海滩上几乎没人。有一个穿着橘色卫衣的奇怪女孩，头发是亮蓝色的，正在水边发呆。她叫克莱门汀。她大方地走过来跟他打招呼，问他要不要一起喝杯咖啡。他原本是个最害羞的男人，却奇怪地跟她坐了一整个下午。他不知道为什么自己会觉得她那么熟悉。
事实上，他们已经在一起两年了。他们认识、相爱、同居、争吵、互相伤害。她嫌他无聊、闷、什么都不敢说出口；他嫌她冲动、神经质、永远在跑。某一天大吵之后，她去了一家叫 Lacuna 的诊所。那家诊所专门做一件可怕的事——把你不想要的那段感情，从你的大脑里彻底擦掉。她把他从自己的脑子里删掉了，干干净净，回过头她见到他像见到陌生人。乔尔得知这件事之后，痛得几乎站不住。他冲动之下也去了那家诊所，付了钱，躺进了机器里，让医生也把克莱门汀从他的大脑里删掉。
可是当机器开始运行时，他在自己的梦里、记忆里目睹整段关系一寸一寸被消解。从最近的争吵，倒退到最甜的部分。他亲眼看见两人在书店相遇、在公园里抱着狗滚草坪、在湖面冰封的夜里仰头数星星。他突然崩溃——他不要删掉了，他要留住她。他在脑子里抓着记忆里的克莱门汀的手，到处跑。"我们躲到我童年的厨房里去吧，那是医生找不到的地方。"——他在自己最深处藏着她。可机器还是一寸一寸地把他们俩切开。删除完成的那一秒，他睁开眼，什么都不记得了。
这就是为什么，他在那个寒冷的早晨，毫无理由地翘班去了海滩。他的潜意识把他领回了第一次遇见她的那片沙滩。他们以陌生人的姿态再次相爱，丝毫不知道自己曾经被对方伤过那么深。直到 Lacuna 诊所里的一个内疚的前台，把当年所有删除前的录音磁带，按地址寄回给了所有客户。乔尔和克莱门汀各自在公寓里听见了自己当初骂对方的话——她说他无聊得像一堵墙，他说她神经病像一个永远关不上的窗。两个人面对面坐着，谁都没说话，沉默地听完了那些恶毒的话。
克莱门汀眼睛红红地说："你会再次开始讨厌我的。你已经讨厌过我一次了。"——她背对着他要走出门。乔尔挡住门，眼睛里也都是泪，他说："Okay."——只是这一个字。"我知道你也会再讨厌我一次。Okay. 我们再来一次。"她愣住，又笑了一下，靠在墙上。两个人就那样在走廊里慢慢滑坐下来，两个人都笑了，又都哭了。明知会再次受伤，他们还是决定再爱一次。这就是这部电影最温柔的地方——所谓的勇敢，不是不怕，而是知道全部之后，还想再来。