在一座繁华都市的高楼顶层，多姆·柯布（莱昂纳多·迪卡普里奥饰）正与一群神秘人物进行一场秘密交易。他是一名潜入他人梦境的高手，但因其过去的行为被国际刑警通缉。为了获得回国的机会，他接受了一项看似不可能完成的任务——植入一个想法到目标人物罗伯特·费舍尔（希里安·墨菲饰）的潜意识中。
柯布组建了一支精英团队，包括他的挚友亚瑟（约瑟夫·高登-莱维特饰）、擅长伪装的阿丽阿德妮（艾伦·佩吉饰）、化学家尤斯夫（迪利普·劳饰），以及曾经帮助过他的老朋友伊姆斯（汤姆·哈迪饰）。他们通过设计复杂的梦境层次，层层深入费舍尔的内心世界。
随着任务的推进，柯布逐渐揭开了自己内心深处的秘密。妻子马尔（玛丽昂·歌迪亚饰）的身影频繁出现在他的梦境中，她不仅是他最深爱的人，也是他最大的心结。马尔的死亡始终困扰着柯布，使他在现实中无法释怀。
在最后一层梦境中，柯布和团队成功地将想法植入费舍尔的潜意识，但同时也面临着时间流逝的不同步问题。最终，柯布选择留在梦境中，与马尔共度余生。然而，当他醒来时，却发现一切不过是另一个层次的梦境。
影片以一种开放式的结局收尾，留给观众无尽的遐想。《盗梦空间》不仅是一部关于梦境与现实交织的科幻电影，更是一场探讨人类情感与记忆的深刻旅程。
