故事发生在2025年，因为和妻子张代晨（徐静蕾 饰）婚姻决裂，男主角江丰（黄渤 饰）走进回忆大师医疗中心承受手术，却不料手术失误回忆被过错重载，他莫名其妙变成了“杀人凶手”。警官沈汉强（段奕宏 饰）的穷追不舍让他逐步发现，自己脑内的过错回忆不仅是破案的要害，更是救赎自己的唯一希望。与此同时，妻子身边出现的女人陈姗姗（杨子姗 饰）、回忆中浮现出的奥秘女子（许玮甯 饰），好像也和真相有着千丝万缕的联系，一场回忆烧脑战也随之开始。