特工之死
CIA特工比爾·波普（萊恩·雷諾斯 飾）正在追蹤一個代號”荷蘭人”的天才駭客揚·史楚普。荷蘭人開發了一個名為”蟲洞”的程式，可以遠端控制美國的核武庫。西班牙無政府主義商人哈維爾·海姆達爾正不惜一切代價要得到這個程式。
在一次秘密接頭中，波普被海姆達爾的手下伏擊殺害。他是唯一知道荷蘭人藏身之處的人。關於荷蘭人的一切資訊，都鎖在了波普已經死去的大腦裡。
記憶移植
CIA倫敦站長奎克（蓋瑞·歐德曼 飾）面臨著一個緊迫的困境：必須在48小時內找到荷蘭人，否則蟲洞程式就會落入海姆達爾之手。他找到了神經科學家弗蘭克斯博士（湯米·李·瓊斯 飾），後者正在研究一項實驗性技術——將一個人的記憶和技能移植到另一個人的大腦中。
實驗需要一個特殊的受體：大腦前額葉未完全發育的人。他們找到了傑里科·斯圖爾特（凱文·科斯納 飾），一個自幼腦部受損的暴力重犯。傑里科沒有同理心，不懂社交規則，是一個純粹靠本能行事的危險動物。
手術完成後，波普的部分記憶開始在傑里科的腦中浮現——碎片化的畫面、地點、人名。但移植效果不穩定，記憶可能隨時消退。CIA給了他48小時。
雙重人格
傑里科被釋放後立刻逃跑。他一邊被波普的記憶引導著追尋線索，一邊被自己根深蒂固的暴力本能驅使著橫衝直撞。他闖入波普的家中，遇到了波普的妻子吉兒（蓋兒·加朵 飾）和女兒艾瑪。
波普對家人的愛是如此強烈，即使移植到了一個沒有感情能力的罪犯大腦中，這些情感仍然像潮水一樣湧來。傑里科第一次感受到了關心另一個人的衝動。他笨拙地試圖保護吉兒和艾瑪，同時被這些陌生的情感搞得手足無措。
海姆達爾的人也在追蹤傑里科，因為他們知道波普的記憶現在在他腦子裡。CIA同樣在追捕他——奎克不信任這個罪犯，隨時準備回收”資產”。
荷蘭人
傑里科憑藉波普殘存的記憶找到了荷蘭人。這個年輕的駭客理想主義地創造了蟲洞程式，本意是揭露政府的秘密，但他意識到自己的發明已經成為了大規模殺傷性武器。在傑里科的說服下，荷蘭人同意合作。
但海姆達爾先下手為強，綁架了吉兒和艾瑪作為要挾。傑里科必須在保護波普的家人和阻止核災難之間做出選擇。
以彼之道
海姆達爾在一個機場準備帶著荷蘭人和蟲洞程式逃離。傑里科趕到現場，被迫將程式交給海姆達爾以換取艾瑪的安全。海姆達爾開槍射傷傑里科後登上飛機離去。
但傑里科留了一手——他讓荷蘭人在交出程式前做了手腳：任何通過蟲洞發射的武器都會自動瞄準發射命令發出的位置。當海姆達爾在飛機上得意地發射了一枚巡航導彈進行測試時，導彈調轉方向飛回了他的飛機。海姆達爾和蟲洞程式一起被炸成灰燼。
傑里科活了下來。波普的記憶最終在他的大腦中穩定下來，那些關於愛、責任和犧牲的感受成為了他性格的一部分。影片結尾，這個曾經的暴力罪犯坐在波普家的後院，看著艾瑪在草坪上玩耍，眼中流露出一種他這輩子從未有過的溫柔。