《盗梦空间》讲得是一个爱情和一个偷盗故事，梦中窃取和植入思想，梦中还可以做梦。
柯柏（Cobb，莱昂纳多·迪卡普里奥饰）被海水冲到沙滩上，接着被持枪的守卫带到一个老人的私人会所，和老人经过一番谈话后，场景切换到齐藤（Saito，渡边谦饰）的梦境里。柯柏、亚瑟（Arthur，约瑟夫·高登-莱维特饰）和造梦者奈许（Nash，卢卡斯·哈斯饰）受雇盗取在齐藤意识里的商业计划。柯柏虽然成功地窃取到机密资料，但却发现内容并不完整，且齐藤已经知道他们正在入侵他的梦境。醒来后，四人身处齐藤位于委内瑞拉的私人住处，并开始对齐藤拷打，但齐藤偶然地发现地毯的材质不同，所以依然知道自己还在梦境中。任务宣告失败，所有人在前往大阪的新干线列车上清醒，草草地在齐藤醒来前收拾好仪器。柯柏和亚瑟责怪奈许的错误，而为了逃避雇主的追杀，他们的团队就此解散。柯柏和亚瑟在东京的一家酒店碰面，打算从顶楼搭乘直升机逃走，然而齐藤却在直升机里现身。齐藤告知柯柏和亚瑟，透露他们避难路线的人便是奈许，但是齐藤却反而提供两人一份工作和交易，并命令手下解决背叛同伴及向他泄密的奈许。 植梦的对象是齐藤事业上的竞争对手－莫瑞斯·费雪（MauriceFischer，彼得·普斯特李威饰）之子罗勃·费雪（RobertFischer，斯里安·墨菲饰），齐藤计划为费雪植入的意念是瓦解他父亲的企业帝国，从而防止这间公司垄断能源市场，而柯柏和亚瑟也毅然接受了任务。 柯柏开始召集团队，首先雇用了伊姆斯（Eames，汤姆·哈迪饰），能在梦中自由变换外型的老手；还有化学家尤瑟夫（Yusuf，迪利普·李奥饰），他研发的强效镇定剂能稳定三层梦境的状态；此外还有建筑系学生亚莉雅德（Ariadne，艾莲·佩奇饰），为新的造梦者。但亚莉雅德在柯柏的梦境受训时，发现柯柏的已故妻子茉儿（Mal，玛丽昂·歌迪亚饰）不断干扰柯柏的梦境。柯柏至此才告诉亚莉雅德一切的真相，他和茉儿曾在梦境中共同生活了几十年，在梦境中白头偕老，但茉儿自梦中醒来后，仍以为自己仍在梦境中，于是她尝试说服柯柏一起再度自杀而重返现实世界。最后茉儿设下圈套，在他面前坠楼身亡，柯柏自此为了逃脱谋杀的指控而流亡海外。