多姆·科布是一名“盗梦者”，他与搭档亚瑟利用潜意识进入别人的梦境中窃取商业机密，在一次任务中，科布与亚瑟入侵一名日本国际企业老板斋藤的梦境意识，但科布的已故妻子梅尔于梦中出现使任务失败，斋藤事后透露自己是有意让他们潜入以考验二人技术，并安排了一个任务给予他们。斋藤的商业对手莫里斯·菲舍尔病笃，因此打算透过植入意识使莫里斯的儿子兼继承人罗伯特瓦解其家族企业，并保证任务成功后可撤销科布背负的谋杀罪名让他返回美国与子女团聚。科布接受了任务后着手组织了任务团队，来到梅尔的父亲迈尔斯任教的大学，透过他找来的建筑学学生亚丽雅德成为建造梦境的“造梦者”，之后找来能在梦境中易容的“伪装者”埃姆斯、配制镇定剂让多层梦境稳定的“药剂师”尤瑟夫，搭档亚瑟担当“前哨者”，斋藤为核实梦境成果以“旅人”加入团队。
由于这是亚丽雅德首次接触梦境的构造，科布与亚瑟协助她设计梦境迷宫，解释梦中的物体和人物都是做梦者的思想投影，梦境愈深入，时间流逝就愈慢，如何创造几何学悖论，也说明参与共同梦境的人利用一个“自动梦素静脉注射器”建立梦境连接：在梦中受伤会感到真实的疼痛，死亡会使做梦者从该梦境中醒来；盗梦者常会使用自制的小物件“图腾（totem）”以分辨梦境或现实；梦中人能透过在上一层梦境使用入睡抽动（kick）唤醒。亚丽雅德也发现科布因对妻子之死怀有强烈的罪咎感，而不由自主地让梅尔的意识在梦中出现，并任由她干扰梦境。
彭罗斯阶梯在电影中作为一个可以在梦境中创造不可能物体的例子
众人获悉莫里斯在悉尼去世，罗伯特扶灵柩回洛杉矶。在设计让罗伯特登上斋藤安排好的飞机和喝下镇静剂而睡着后，众人进入尤瑟夫的第一层梦境“下雨城市”并绑架了罗伯特。在此层梦境有2大目的：1）开启父子关系话题，让罗伯特察觉不能跟随其父的脚步而活；2）尽量挖掘线索，以便之后创造更能令罗伯特相信的梦境。但罗伯特的潜意识投射出武装部队向众人攻击并重伤了斋藤，埃姆斯企图杀死斋藤让他脱离梦境，但科布与尤瑟夫说明由于镇静剂的效果太强大而无法从梦境中直接醒来；在梦中死亡的话将掉进在梦境中时间永无止境的“游离域”（Limbo）。埃姆斯化成罗伯特的教父假装也被绑架，套取了罗伯特和父亲临死前的交流，得知莫里斯对罗伯特深感失望，众人决定由此入手植入父亲希望儿子解散公司的想法，除了第一层的造梦者尤瑟夫外，其他成员进入亚瑟的第二层梦境“酒店”。
在第二层梦境的主要目的是：1）向罗伯特植入自己能独立的想法；2）破坏罗伯特与教父之间的关系，从而提升罗伯特与莫里斯的正面情感。科布向罗伯特骗说他们是其内心潜意识的保护人，这场绑架由其教父策划，与莫里斯留下的一个保险箱有关。为对抗罗伯特受过保护潜意识的训练，科布向罗伯特坦白在酒店的一切情景乃是梦境，但讹称是其教父设下的诡计，从而说服罗伯特进入其下一层梦境，查看教父的潜意识中该保险箱的内容。实际上是利用坦白和谎言，更能让他们入侵罗伯特的潜意识，引领他进入以埃姆斯为造梦者的第三层梦境“雪山堡垒”。
于第一层梦境中，尤瑟夫为躲避追捕而把载着众人的车子驶出桥梁下坠，产生入睡抽动，同时使第二层梦境出现无重状态和第三层梦境出现雪崩。第二层梦境中的亚瑟准备引爆升降机造出失重感，以达到同步的入睡抽动；于第三层梦境中的众人也必须在梦境完结前完成任务。
斋藤不久后因在第一层梦境中受伤过重不支昏迷，罗伯特到达堡垒内准备打开保险大门时被梅尔击毙，科布与亚丽雅德决定进入游离域寻找斋藤和罗伯特，留下埃姆斯以炸毁堡垒作为入睡抽动。于游离域中，科布向亚丽雅德解释他曾把妻子带进此空间，二人以记忆构建了世界并度过了五十年的幸福时光。但梅尔开始将梦境与现实混淆，甘于把自己的图腾锁于潜意识深处的保险箱内。为使妻子愿意返回现实，科布在保险箱中找到并转动她的图腾（转动中的陀螺是梅尔确认梦境的图腾），从而在梅尔脑中植入了“自身依然身处梦境，只有透过死亡才是出路”的想法。因此，梅尔在二人梦醒后仍以为身在梦中，她在科布眼前跳楼自杀，科布背负谋杀罪名并遗下子女流亡海外，这也是他了解意识植入有可能实现的原因。亚丽雅德寻获罗伯特后将他推离阳台，罗伯特回到第三层梦境后打开父亲的保险箱，得知父亲失望的原因在于儿子尝试走上同一条路，意指自己不必为家族事业而活着。由此，该意念已经成功植入罗伯特脑中。随后，除科布和斋藤外，众人透过同步入睡抽动成功离开梦境，科布也花了五十年于游离域中寻获年老的斋藤，并使他忆及二人当初之约定而脱离游离域。
后来，科布发现自己在客机上醒来，团队各人和罗伯特均已醒来。此时斋藤拨打了一通电话后，让科布成功通过海关入境回到美国的家，当科布准备使用“图腾”验证自己身处梦境或现实时，在辨识出真相前已经与自己的儿女幸福相拥。