Фильм начинается с того, что мы знакомимся с главным героем — Домиником Коббом, или просто Коббом. Он — профи в таком странном деле, как кража секретов из снов. Да, именно так: он проникает в сны людей, пока они спят, и вытаскивает оттуда всякие тайны, которые хранятся в подсознании. Кобб — не просто взломщик, он настоящий мастер, который знает, как устроены сны, и умеет обходить всякие ловушки в голове у спящих. Его нанимают большие шишки, чтобы выведать секреты конкурентов. Но есть одна проблема: из-за этой работы он не может вернуться домой в Америку к своим детям, потому что его там считают преступником.
В начале фильма Кобб получает заказ от богатого японского бизнесмена Сайто. Тот хочет, чтобы Кобб не просто украл секрет, а сделал кое-что посложнее — внедрил идею в голову одного парня, Роберта Фишера, сына умирающего магната. Это называется «внедрение» — заронить мысль так, чтобы человек думал, что она его собственная. Сайто обещает Коббу, что если всё получится, он поможет ему решить проблемы с законом и вернуться к семье. Кобб соглашается, хотя понимает, что это почти невыполнимая задача.
Кобб собирает команду, как в каком-нибудь фильме про ограбление. У него есть Артур — его правая рука, который всё планирует и следит за деталями. Потом он находит Эймс — девчонку-химика, которая готовит снотворное, чтобы все крепко спали и не просыпались во время операции. Ещё к ним присоединяется Юсуф — парень, который умеет создавать сложные сны с несколькими уровнями. И наконец, Кобб нанимает молодую архитекторшу Ариадну. Её задача — придумать такие лабиринты снов, чтобы подсознание Фишера не поняло, что его обманывают.
План такой: они усыпляют Фишера на самолёте, проникают в его сон и начинают копаться в его голове. Но тут всё усложняется, потому что сны — штука многослойная. Они решают сделать «сон во сне» — то есть спуститься на несколько уровней глубже. Первый уровень: дождливый город, где они похищают Фишера и пытаются выведать код от сейфа. Но Фишер не так прост — его подсознание защищено вооружёнными охранниками, которые сразу начинают палить по команде Кобба. Тут ещё выясняется, что Сайто ранен, и если он умрёт во сне, то это может всё испортить.
Чтобы добыть секрет, они спускаются на второй уровень — в отель. Там Кобб притворяется, что он из охраны Фишера, и пытается его разговорить. Фишер начинает подозревать, что что-то не так, но команда его обманывает, подсовывая идею, что его дядя хочет его кинуть. Это часть плана — заронить мысль, что Фишеру нужно пойти против отца и разрушить его империю.
Потом они проваливаются ещё глубже — на третий уровень, заснеженную крепость в горах. Там, по идее, спрятан главный секрет в сейфе. Но время во снах течёт странно: чем глубже уровень, тем медленнее оно идёт. На первом уровне у них пара часов, а на третьем — уже дни. Пока они возятся в крепости, на верхних уровнях всё рушится: машина падает с моста, отель начинает разваливаться. Команда понимает, что нужно торопиться.
Тут на сцену выходит ещё одна проблема — Мэл, жена Кобба. Она умерла в реальной жизни, но живёт в его голове как призрак и постоянно вмешивается. Мэл — это его боль и чувство вины, потому что он сам однажды заронил ей мысль, что их реальность — это сон, и она из-за этого покончила с собой. Теперь она появляется в самый неподходящий момент и пытается всё сорвать. В крепости Мэл стреляет в Фишера, и тот умирает. Но Ариадна и Кобб решают спуститься ещё глубже — в «Лимб», место, где застревают потерянные души, чтобы вытащить Фишера обратно.
В Лимбе Кобб сталкивается с Мэл лицом к лицу. Она уговаривает его остаться с ней, но он наконец принимает, что она — не настоящая, а всего лишь его воспоминание. Он отпускает её, а Ариадна спасает Фишера. Тем временем на третьем уровне сейф открывается, и Фишер видит там завещание отца — не деньги, а просто игрушку, ветряк, который напоминает ему о детстве. Это и есть внедрение: Фишер решает, что империя отца ему не нужна, и он хочет жить своей жизнью.
Команда начинает выбираться из снов. На каждом уровне их будят: взрывом, падением, ударом. В итоге все просыпаются в самолёте, как будто ничего не было. Сайто выполняет обещание — звонит кому-то, и Кобба пропускают через таможню в Америке. Он возвращается домой, видит своих детей, но тут возникает вопрос: а реальность ли это? Кобб крутит свой тотем — волчок, который должен упасть, если это не сон. Камера показывает, как волчок крутится, но фильм обрывается, не дав ответа.
