Se mi lasci ti cancello

Com'è felice il destino dell'incolpevole vestale!
Dimentica del mondo, dal mondo dimenticata.
Infinita letizia della mente candida!
Accettata ogni preghiera e rinunciato a ogni desiderio.

Joel Barish e Clementine Kruczynski si incontrano per la prima volta ad una festa sulla spiaggia a Montauk,New york, e si innamorano in poco tempo. Dopo due anni di una turbolenta relazione finiscono per smettere di essere innamorati. Clementine scopre il servizio Lacuna Inc., una clinica diretta dal Dottor Howard Mierzwiak che sostiene di essere in grado di cancellare ricordi specifici dalla mente di una persona. Clementine sceglie di far cancellare Joel dalla sua mente, eliminando anche tutti i ricordi collegati alla loro storia d'amore. Quando Joel il giorno dopo la cerca rappacificarsi con lei, Clementine non ricorda assolutamente chi egli sia, ed è corteggiata da Patrick, un tecnico della Lacuna che era rimasto colpito da Clementine e sta usando i suoi ricordi passati e gli oggetti che Joel le aveva regalato per ottenere il suo amore. Joel si informa e scopre la Lacuna, e sceglie anche lui di far cancellare Clementine dalla sua mente, consegnando loro tutti gli oggetti in qualche modo collegati alla loro relazione.

I tecnici della Lacuna, Patrick e Stan arrivano all'appartamento di Joel per effettuare la cancellazione mentre dorme, con un processo lungo l'intera notte; Mary , la ragazza di Stan, che lavora anch'essa alla Lacuna, arriva successivamente. Patrick abbandona l'appartamento per stare con Clementine. Quando viene fatta la cancellazione provvisoria a Joel, in vista di quella totale della sera, lui non si concentra abbastanza sugli oggetti di Clementine che gli vengono posti davanti, chiedendolo di ricordare, e così alla sera mentre effettuano la cancellazione sente parlare Stan e Patrick. La sua mente è ancora parzialmente attaccata alla realtà. Stan e Mary sono lasciati a sorvegliare la macchina, ma invece fanno sesso e rimangono quindi distratti dal loro lavoro. Nella mente di Joel, Joel scopre che i suoi ricordi riguardanti Clementine si stanno cancellando in ordine inverso, e appena giunge ai più vecchi e felici momenti con lei, decide di voler fermare la procedura e mantenere i suoi ricordi, e tenta di nascondere Clementine nei ricordi più profondi della sua mente. La resistenza di Joel provoca il fallimento del compito della macchina, e Stan e Mary sono obbligati a chiamare Howard per farsi aiutare a terminare la procedura. Mentre Howard riesce a far tornare il processo alla normalità, il suo arrivo provoca momenti imbarazzanti tra lui e Mary, e Mary scopre di essersi già sottoposta alla procedura per dimenticare una storia tra lei e Howard. Joel scopre di non poter fermare il processo, ma prima che il suo ultimo ricordo di Clementine in una casa di Montauk venga cancellato, lei dice di amarlo e di cercarla a Montauk. Ora i suoi ricordi su Clementine sono completamente cancellati e al suo risveglio non la ricorderà più.

Joel si sveglia il giorno dopo e decide di disertare il lavoro e di prendere invece il treno per Montauk dove gli succede di incontrare Clementine. Non sapendo nessuno dei due l'identità dell'altro, velocemente si conoscono e cominciano una nuova relazione. Lo stesso giorno, Mary lascia il suo lavoro e ruba le informazioni dei clienti della Lacuna dalla clinica e le spedisce per posta ai pazienti interessati. Dopo essere tornati in città, Joel porta Clementine a casa di lei per prendere il suo spazzolino perché lei possa passare la notte nel suo appartamento, ma incontra Patrick, che è lì per riprendere il corteggiamento di Clementine e si domanda perché Joel sia di nuovo lì da lei. Quando Clementine torna, trova una audiocassetta della Lacuna nella sua posta e la ascolta nella macchina di Joel, ed entrambi sentono tutti i pensieri negativi di lei su di lui, facendo pensare a Joel che lei stia giocando con i suoi sentimenti, e Joel la obbliga a scendere dalla macchina e a lasciarlo solo. Patrick tenta di avvicinare Clementine ma lei urlandogli contro pone fine alla loro relazione. Dopo il fatto Clementine si reca a casa di Joel e lo trova con la sua registrazione della Lacuna, tenendo in mano un disegno della loro precedente relazione che lui aveva dimenticato di consegnare. Entrambi capiscono la verità sulla loro precedente storia. Pur sapendo che ricominciare una nuova relazione potrebbe finire per gli stessi motivi registrati sui nastri decidono di non lasciare che questi impediscano loro di vedersi, di vivere tutti gli attimi felici che potrebbero vivere. Il film termina con una lotta a palle di neve tra loro sulla spiaggia di Montauk.