在這個世界裡，有一種技術可以讓人進入他人的夢境。職業盜夢者唐姆·柯布（李奧納多·狄卡皮歐飾）和他的搭檔亞瑟（喬瑟夫·高登-拉維特飾）就靠這門手藝謀生——他們潛入目標的潛意識深處，竊取商業機密。但柯布的內心深處藏著一個致命的秘密，它正在摧毀他所參與的每一次任務。
一個無法拒絕的委託
故事開場，柯布和亞瑟試圖從日本商業大亨齋藤（渡邊謙飾）的腦中竊取情報，但任務失敗了——齋藤發現自己身處夢境。然而齋藤並沒有追究，反而向柯布提出了一個更大的委託：不是「盜取」想法，而是「植入」想法。這種技術叫做「奠基」（Inception），在夢境中將一個外來的念頭植入目標的潛意識，讓他以為這是自己的想法。
目標是羅勃·費雪（席尼·墨菲飾），一個即將繼承龐大能源帝國的富二代。齋藤希望費雪在繼承遺產後主動拆分父親的公司，從而瓦解競爭對手的壟斷。作為回報，齋藤承諾動用自己的政治關係，消除柯布的犯罪記錄——柯布被指控謀殺妻子茉兒（瑪莉詠·柯蒂亞飾），已經流亡海外多年，無法回到美國見自己的兩個孩子。
這是柯布無法拒絕的交易。
組建團隊
柯布著手組建一支精英團隊。除了老搭檔亞瑟負責調研和協調，他還招募了：偽裝者伊姆斯（湯姆·哈迪飾），能在夢中變換成任何人的樣子；藥劑師尤瑟夫（迪利普·李奧飾），負責調配足夠強效的鎮定劑以維持多層夢境的穩定；以及建築系學生亞麗雅德（艾略特·佩吉飾），負責設計夢境的空間結構。
亞麗雅德在訓練中展現出非凡的天賦，她能在夢中將巴黎的街道摺疊成不可能的幾何形狀。但她也很快發現了柯布隱藏的危險——在柯布的潛意識中，他已故的妻子茉兒以一個極具攻擊性的「投影」形態存在，隨時可能破壞任務。
茉兒的幽靈
柯布和茉兒曾經一起深入夢境的最底層——「迷失域」（Limbo），一個無限延伸的純粹潛意識空間。在那裡，他們一起度過了幾十年，建造了整座城市。但柯布為了讓茉兒願意離開迷失域，在她的潛意識深處植入了一個想法：「你的世界不是真實的。」這就是一次「奠基」。
問題在於，這個想法太過強烈。當他們回到現實世界後，茉兒依然無法擺脫這個念頭。她堅信現實世界也是假的，認為只有「死亡」才能讓她真正醒來。在結婚紀念日那天，茉兒從酒店窗口縱身跳下，並留下證據陷害柯布，希望他也能跟著「跳樓醒來」。柯布因此背上了謀殺妻子的罪名，被迫逃離美國，與兩個年幼的孩子分離。
這份深重的愧疚讓茉兒的投影始終盤踞在柯布的潛意識中，成為每一次任務的定時炸彈。
三層夢境
行動在一架從悉尼飛往洛杉磯的十小時航班上展開。尤瑟夫給費雪注射了特製鎮定劑，團隊進入了精心設計的三層嵌套夢境。每深入一層，時間流速就慢二十倍——現實中的十小時，在第一層是一週，在第二層是六個月，在第三層是十年。
第一層夢境：雨中城市。 由尤瑟夫控制。團隊偽裝成綁匪劫持了費雪，試圖從他口中套出父親保險箱的密碼。但費雪的潛意識受過專業的防禦訓練，大量武裝投影開始攻擊團隊。更糟的是，齋藤在交火中中彈重傷。由於鎮定劑太強，夢中死亡不會讓人醒來，而是會墜入迷失域——一個可能永遠出不來的地方。
第二層夢境：酒店。 由亞瑟控制。柯布以費雪潛意識保護者的身份接近他，引導他相信自己的教父布朗寧（湯姆·貝林傑飾）正在密謀篡奪遺產。伊姆斯在夢中變裝成布朗寧的樣子，進一步強化了費雪的懷疑。與此同時，第一層夢境中尤瑟夫駕駛麵包車從橋上墜落，導致第二層的酒店完全失去了重力。亞瑟在失重的走廊中與敵人展開了一場令人歎為觀止的格鬥，同時還要想辦法在零重力環境下製造「墜落感」來喚醒隊友。
第三層夢境：雪山堡壘。 由伊姆斯控制。費雪被引導進入一座冰雪覆蓋的軍事堡壘，裡面有一間保險庫，存放著他父親最後的遺言。團隊必須在武裝守衛的猛烈攻擊下突破防線，護送費雪到達保險庫。
迷失域
就在費雪即將打開保險庫的關鍵時刻，茉兒的投影出現了。她開槍射殺了費雪，費雪墜入了迷失域。亞麗雅德提出一個大膽的方案：她和柯布一起追入迷失域，找到費雪並將他帶回來。
在迷失域裡，柯布和茉兒的投影終於正面對峙。柯布承認了自己的罪過——是他在茉兒心中種下了那個致命的想法，間接導致了她的死亡。但他也終於認清：眼前的茉兒只是他記憶中的幻影，無論多麼栩栩如生，都不是真正的茉兒。他選擇放手。
亞麗雅德找到費雪並將他推下高樓——在迷失域中「死亡」可以觸發回到上一層夢境。費雪回到了第三層的雪山堡壘，打開了保險庫。裡面是他父親莫瑞斯·費雪臨終前最後的場景：病榻上的老費雪用微弱的聲音告訴兒子，他失望的不是羅勃不夠優秀，而是羅勃在試圖成為另一個自己。保險箱裡放著一個小風車——羅勃童年時做給父親的禮物。費雪淚流滿面，決定走自己的路，不再活在父親的陰影下。
奠基成功了。
層層醒來
所有的「踢醒」訊號同步觸發。第一層，尤瑟夫駕駛的麵包車墜入水中；第二層，亞瑟用炸藥在失重的電梯間製造衝擊；第三層，伊姆斯引爆了整個堡壘。團隊成員層層醒來，回到了飛機上。
但柯布還留在迷失域。他找到了受傷後墜入迷失域的齋藤——此時的齋藤已經在迷失域中獨自度過了數十年，變成了一個風燭殘年的老人。柯布提醒他們之間的約定，齋藤拿起了手槍。
陀螺
飛機降落在洛杉磯機場。費雪平靜地決定拆分父親的公司。齋藤撥出電話，兌現了承諾。柯布順利通過海關，岳父邁爾斯（麥可·肯恩飾）在出口等他。
柯布終於回到了家，看到了兩個孩子在花園裡玩耍。他拿出那枚陀螺——他的「圖騰」，用來分辨夢境與現實的工具——將它旋轉在桌面上。在夢中，陀螺永遠不會倒；在現實中，它終會停下。
陀螺在桌面上飛速旋轉。柯布看了它一眼，然後轉身走向了孩子們。鏡頭停留在旋轉的陀螺上——它似乎微微晃動了一下，但畫面在它倒下之前切入黑屏。
電影結束。陀螺到底停沒停？柯布到底是回到了現實，還是永遠困在了夢裡？諾蘭把這個答案留給了每一個觀眾。但或許，真正重要的不是陀螺是否停下，而是柯布第一次選擇了不去看結果——他不再被困在對「什麼是真實」的執念中，而是選擇擁抱眼前的一切。