科布曾经有个非常完美的家庭，有一对儿女，夫妻也很恩爱。夫妻二人经常一起进入自己创造的梦境里享受那种天堂般的幸福。不过，随着两人不停地出入自己所创造的梦境，其妻子莫尔到最后无法分清自己究竟是在现实中，还是在自己创造的梦境中。于是有一天，妻子对他讲，他们现在是在梦里，如果从楼上跳下来就会从梦中清醒。科布百般阻拦也没有效果。有一天他妻子真的从楼顶上跳了下去，而科布也因为躲避美国政府的调查而不得不与自己的一双儿女分离，远避他乡。从此，妻子的死成了科布潜意识里挥之不去的噩梦。当科布进入设计的梦境时，他的妻子总会出现，阻碍他完成任务，并引诱科布与自己一起进入第四层空间白头偕老。
在一次任务中，科布和他的同伴亚瑟因科布的潜意识 科布亡妻的阻挠，未能成功窃取雇主所需要的资料，从而面临着两天之内被杀的危险。为了保命，他们的另外一个同伴把他们出卖给了之前他们窃取梦境的对象 齐藤。齐藤找到科布和亚瑟，希望他们能够为自己服务，也就是找到全球垄断巨头的儿子费舍尔，在费舍尔的头脑中植入遣散公司的意念，从而消灭自己的竞争对手，如果成功，将带科布回国。
由于科布迫切地想回家见自己的儿女，他答应了齐藤的请求，找到了“伪装者”埃姆斯、“药剂师”优素福、“造梦师”阿里阿德涅。精彩的盗梦故事由此展开。
齐藤买下了整个航空公司，让费舍尔的私人飞机因故障而检修，然后在费舍尔飞往洛杉矶的途中实施了这个计划。科布等一行六人将费舍尔带入了事先造好的梦境，对费舍尔进行潜意识修改。
然而费舍尔先前曾受过防止在梦中被袭击的专业训练，于是在第一层梦境中，他们受到费舍尔潜意识保卫队的猛烈攻击，齐藤受伤。于是他们把费舍尔带入第二层梦境中，一个酒店里，按计划让费舍尔认为科布是保护他的人，而费舍尔的潜意识队伍才是真正的敌人。计划成功。随后他们又让费舍尔认为是叔叔为了夺权而故意隐瞒保险柜密码，并怂恿他去叔叔的梦境找到保险柜。计划再次成功。随后，众人携带费舍尔下到第三层，留下一个人负责将众人穿越回来。
其余人又进入了第三层梦境的雪堡。这次的目的是让费舍尔见到他们设计出来的父亲而接受想法。就在即将成功的时候，科布妻子的影子再次出现搅局，开枪击中了费舍尔。这时候的费舍尔并没死，只是昏迷。情急之下，阿里阿德涅提出把费舍尔嫁接入第四层梦境，在那里把费舍尔唤醒。
于是，阿里阿德涅和科布进入科布的第四层梦境，在那里阿里阿德涅把费舍尔唤回了第三层梦境。在雪堡深处，费舍尔听到了设计中的父亲的最后遗言：I am disappointed that you tried （意思是对不起，我不该勉强你做你不愿意做的事），也就是说让他做他自己，别管公司，过自己喜欢的生活。费舍尔打开保险箱之后，他看到的是自己童年玩过的纸风车，对父亲愧疚之下，决定遣散公司。
与此同时，科布在第四层梦境里终于狠下心来杀死了妻子的影子，也在争斗中被影子刺中身亡，同样来到了迷失域。在这里他见到了齐藤，并且说服他用枪杀死自己然后自杀，双双回到现实。
至此，科布的心结解开。他对妻子死去的悔恨因为回忆起了和妻子在第四层梦境里白头到老的幸福而被冲淡。齐藤在飞机上醒来后也兑现了诺言，打了电话解除了他的通缉。
电影在最后留给大家一个悬念。科布在“回到现实”与儿女团聚之后，用陀螺测试是否还在梦境中。在陀螺还在旋转的时候，电影突然结束。到底是在现实，还是梦境？
几千年前，伟大的思想家庄子先生曾经做过一个梦，梦到自己变成了蝴蝶。在他醒来之后，发了一句感慨：“不知道是我庄周做梦变成了蝴蝶，还是蝴蝶做梦变成了庄周。”这个故事与庄子先生的感叹何其相似。
