Джоэл проходит процедуру удаления воспоминаний о бывшей возлюбленной Клементайн из своего сознания. Во время сеанса он путешествует по лабиринтам собственной памяти, переживая ключевые моменты их отношений в обратном порядке. Клементайн появляется в его воспоминаниях как импульсивная рыжеволосая девушка, которая постоянно меняет цвет волос и живет сиюминутными порывами. По мере того как воспоминания стираются, Джоэл понимает, что не хочет забывать даже болезненные моменты. Он пытается спрятать образ Клементайн в детских воспоминаниях, где технологии удаления не должны ее найти. Параллельно разворачивается история сотрудников клиники — ассистента Патрика, который использует стертые воспоминания клиентов для соблазнения, и секретарши Мэри, которая обнаруживает свою связь с главврачом. Границы между реальностью и памятью размываются, создавая сюрреалистичный мир, где дома рушатся, люди исчезают на глазах, а время течет вспять. В финале герои встречаются вновь, словно впервые, но интуитивно чувствуют связь между собой.
Комментарии