主人公道格拉斯·奎德（柯林·法瑞尔 Colin Farrell 饰）是一名普通的工厂工人，不普通在于他拥有一位漂亮的妻子（凯特·贝金赛尔 Kate Beckinsale 饰），两人看似十分恩爱。但道格拉斯内心却似乎有某种不满足，在夜晚时常怪梦连连，梦见自己身处火星，而在工作中也总是恍惚走神。在朋友的劝说下，他决定自己该度个假，于是来到了Rekall公司，希望植入火星间谍的记忆以满足自己的大脑对于冒险的渴望。可是就在植入记忆的过程中，意想不到的事情发生了。奎德突然成了“政府”追杀的逃犯，而他发现自己竟然有着过人的身手。逃离Rekall之后，奎德遇到了一名叛军的女战士（杰西卡·贝尔 Jessica Biel 饰），两人并肩作战但彼此却并不信任。就连奎德深爱的妻子Lori，现在也变成了追杀他的超级女特工。究竟什么是真实，什么是虚幻，哪些是梦境，哪些才是真实发生过的记忆，这一切让奎德根本无法分辨，他必须寻找到自己真实的身份、爱人和命运。

公元2084年，地球人奎德一直被自己的噩梦困扰，似乎他自身中隐藏着重大的迷团。为此，奎德来到火星上寻找自己的记忆，这才发现，他原本是一个火星人，是一个被移植了地球人记忆、安排了地球人身份的火星间谍。