片長： 149min

    柯柏（Cobb，萊昂納多•迪卡普里奧 飾）被海水沖到沙灘上，接著被持槍的守衛帶到一個老人的私人會所，和老人經過一番談話後，場景切換到齊藤（Saito，渡邊謙 飾）的夢境裏。柯柏、亞瑟（Arthur，約瑟夫•高登-萊維特 飾）和造夢者奈許（Nash，盧卡斯•哈斯 飾）受雇盜取在齊藤意識裏的商業計畫。柯柏雖然成功地竊取到機密資料，但卻發現內容並不完整，且齊藤已經知道他們正在入侵他的夢境。醒來後，四人身處齊藤位於委內瑞拉的私人住處，並開始對齊藤拷打，但齊藤偶然地發現地毯的材質不同，所以依然知道自己還在夢境中。任務宣告失敗，所有人在前往大阪的新幹線列車上清醒，草草地在齊藤醒來前收拾好儀器。柯柏和亞瑟責怪奈許的錯誤，而為了逃避雇主的追殺，他們的團隊就此解散。柯柏和亞瑟在東京的一家酒店碰面，打算從頂樓搭乘直升機逃走，然而齊藤卻在直升機裏現身。齊藤告知柯柏和亞瑟，透露他們避難路線的人便是奈許，但是齊藤卻反而提供兩人一份工作和交易，並命令手下解決背叛同伴及向他洩密的奈許。
植夢的物件是齊藤事業上的競爭對手－莫瑞斯•費雪（Maurice Fischer，彼得•普斯特李威 飾）之子羅勃•費雪（Robert Fischer，斯裏安•墨菲 飾），齊藤計畫為費雪植入的意念是瓦解他父親的企業帝國，從而防止這間公司壟斷能源市場，而柯柏和亞瑟也毅然接受了任務。
柯柏開始召集團隊，首先雇用了伊姆斯（Eames，湯姆•哈迪 飾），能在夢中自由變換外型的老手；還有化學家尤瑟夫（Yusuf，迪利普•李奧 飾），他研發的強效鎮定劑能穩定三層夢境的狀態；此外還有建築系學生亞莉雅德（Ariadne，艾蓮•佩奇 飾），為新的造夢者。但亞莉雅德在柯柏的夢境受訓時，發現柯柏的已故妻子茉兒（Mal，瑪麗昂•歌迪亞 飾）不斷幹擾柯柏的夢境。柯柏至此才告訴亞莉雅德一切的真相，他和茉兒曾在夢境中共同生活了幾十年，在夢境中白頭偕老，但茉兒自夢中醒來後，仍以為自己仍在夢境中，於是她嘗試說服柯柏一起再度自殺而重返現實世界。最後茉兒設下圈套，在他面前墜樓身亡，柯柏自此為了逃脫謀殺的指控而流亡海外。
參與共同夢境的人利用一個儀器相聯接，該儀器稱作PASIV (Portable Automated Somnacin IntraVenous，可攜式自動夢素靜脈注射器)，將參與者處於同一個夢境中。在夢境裏，受傷會感受到真實的疼痛，在夢境中死去會使參與者從該夢境中醒來。而盜夢者常會使用自製的小物件“圖騰”(Totem)作為象徵，協助他們分辨是醒著或是在參與別人的夢（比如柯柏用的是金屬制的小陀螺、亞瑟則是灌鉛的骰子）。夢境中的物體和人物都是做夢者的思想投射，因此可能會遺失一些不易注意到的細節，便可使個人的圖騰真假立辨。
齊藤允諾柯柏若任務成功，他將會幫助洗脫柯柏的謀殺罪，讓柯柏回國和家人團聚。因為約瑟夫使用強勁的鎮定劑而柯柏等人進入數層夢境，原本的“死亡導致退出夢境”的原則已經失效，在夢中死亡的人將進入一種遊離狀態。在此狀態下，即使現實世界只有短短的一瞬間，在夢裏會感覺像幾十年一樣漫長，且這個人將無法區分他的夢境和真實世界。
馬瑞斯費雪在雪梨過世後，齊藤安排自己和柯柏等人與羅勃費雪同乘一班客機頭等艙飛往洛杉磯。他們在費雪的飲水裏下了藥，一起進入夢中。那是在大雨滂沱中的紐約市，他們在此綁架了費雪，卻被他夢中的護衛發現。在一輪槍戰中，齊藤受了重傷。伊姆斯假扮成費雪的教父彼得白朗寧 (Peter Browning)，假裝也被綁架，試圖從費雪那裏套取資料。接著他們坐在約瑟夫駕駛的車裏，在被一群傭兵追趕之下，進入第二層夢境。這次的佈景是一個酒店，柯柏用計使費雪相信他的意識被入侵，上一層夢的綁架行動是白朗寧所為。柯柏說服他進入白朗寧的潛意識去找出他的動機，但實際上是柯柏等人進入費雪的第三層夢。場景在一個雪山城堡，在這裏，費雪必須要進入柯柏等人為他建構的意念（一座保險庫裏的機密）中。但費雪被柯柏潛意識裏跟隨而來的茉兒開槍射殺，進入了遊離狀態，柯柏和亞莉雅德為了完成任務而跟隨他來到第四層的遊離狀態，並與茉兒不期而遇。結果揭示了事實的真相：柯柏曾在茉兒的意念中植入“一切都不是現實”（轉動了金屬陀螺），使茉兒回到現實後仍以為自己尚在夢中，從而導致茉兒的自殺。茉兒試圖說服柯柏留在夢中，甚至襲擊他，最後被亞莉雅德開槍打死。費雪和亞莉雅德回到雪山城堡，費雪打開了保險庫，領悟到他的父親是希望且信任他能成為獨當一面的經營者。
每一層夢境都有一個人留下，來保護夢中成員的身體不受攻擊：約瑟夫在第一層夢駕駛箱型車，亞瑟在第二層的酒店裏，伊姆斯和齊藤在第三層的城堡。為了從夢中醒來，柯柏等人必須經由一個“撞擊”回到清醒狀態:可能是一個強烈的瞬間撞擊，或者是突然從椅子上仰倒的下墜感。時間的掌握必須十分精准才能令撞擊一個接一個的發生，使他們成功地從三層夢境中逐層逃出來。但當約瑟夫被費雪的傭兵困在一座橋上而被迫提早撞擊時，其他人在每層夢境中完成任務的時間都比預計的減少了。約瑟夫開車載著所有人沖出橋的護欄；亞瑟計畫用爆炸使酒店的一層樓坍塌，但由於現實世界會影響到夢境，車裏的成員在下降過程中處於失重的狀態，亞瑟突發奇想，以爆炸讓一部電梯急速墜落而形成撞擊；伊姆斯則炸掉城堡使城堡裏的成員蘇醒。除了齊藤及柯柏之外，其他成員都醒過來。
齊藤在第三層夢中死去，所以柯柏留在遊離世界裏尋找齊藤。電影回到最開始的一幕，柯柏坐在十分年老的齊藤面前。柯柏告訴齊藤說他們得逃回現實世界，欲舉槍自殺。柯柏突然醒來，發現所有人都還在飛機上，齊藤也平安無事的醒了。他兌現了承諾，讓柯柏重新返回美國，回到家和孩子們的身邊。當柯柏旋轉陀螺想證明是否處於現實世界，就被孩子們的叫聲打斷了。那個陀螺仍然在轉，但稍稍不穩，介乎於繼續轉和跌下來之間。此時影片結束。在結尾字幕後，有“叮”的一聲，這似乎是陀螺已經倒下，所以柯柏或已回到現實世界。