Se mi lasci ti cancello

Joel Barish (Jim Carrey) e Clementine Kruczynski (Kate Winslet) si incontrano per la prima volta sulla spiaggia di Montauk, New York, e si innamorano in poco tempo. Dopo due anni di una turbolenta relazione finiscono per lasciarsi. Clementine si rivolge alla clinica Lacuna Inc., diretta dal Dottor Howard Mierzwiak, il quale è in grado di cancellare ricordi specifici dalla mente di una persona. Clementine decide di far cancellare Joel dalla sua mente, eliminando così tutti i ricordi collegati alla loro storia d'amore.

Quando Joel il giorno dopo la cerca per rappacificarsi con lei, ella non ricorda assolutamente chi egli sia, ed è corteggiata da Patrick (Elijah Wood), un tecnico della Lacuna che era rimasto colpito dalla sua bellezza e sta usando i suoi ricordi passati insieme agli oggetti che Joel le aveva regalato per conquistare il suo amore. Joel scopre l'esistenza della Lacuna e sceglie anche lui di far cancellare Clementine dalla sua mente, consegnando al personale della clinica 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. Durante la mattina Joel, in vista dell'intervento di cancellazione della sera, si sottopone ad una mappatura della sua mente effettuata osservando gli oggetti legati alla sua relazione con Clementine ma non si concentra abbastanza e così alla sera sente parlare Stan e Patrick mentre eseguono la cancellazione.

La sua mente è ancora parzialmente attaccata alla realtà. In seguito Stan e Mary rimangono a sorvegliare la macchina ma invece bevono, fumano e copulano e sono quindi distratti dal loro lavoro. Nella propria mente, Joel scopre che i 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 per mantenerli. Tenta così di nascondere Clementine nei ricordi più profondi della sua mente.

La resistenza di Joel provoca il fallimento della procedura, Stan e Mary sono perciò obbligati a chiamare Howard per farsi aiutare. Mentre Howard riesce a far tornare il processo alla normalità, Mary non può più nascondere un'infatuazione per lui. In seguito all'arrivo della furibonda moglie di Howard, Mary scopre di essersi ella stessa sottoposta alla procedura per dimenticare una precedente 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. All'alba i suoi ricordi su Clementine sono completamente cancellati e al suo risveglio non la ricorda più. Quel giorno, festa di San Valentino, decide di disertare il lavoro e di prendere invece un treno per Montauk dove incontra Clementine. Poiché entrambi ignorano l'identità dell'altro, velocemente si conoscono e cominciano una nuova relazione.

Lo stesso giorno Mary lascia il suo lavoro e ruba dall'archivio della Lacuna le informazioni dei clienti della clinica, intenzionata a spedirle per posta ai diretti interessati. La mattina del 16 febbraio, tornati in città da una notte sul ghiaccio, Joel porta Clementine a casa di lei per prendere il suo spazzolino perché lei possa seguirlo nel suo appartamento. In assenza di Clementine incontra Patrick che è lì per riprendere il corteggiamento e si domanda perché Joel sia di nuovo lì da lei.

In casa, Clementine trova una cassetta della Lacuna nella sua posta e l'ascolta nella macchina di Joel; entrambi sentono tutte le critiche di lei su di lui, il che induce Joel a pensare che lei stia giocando con i suoi sentimenti. 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.

Clementine si reca allora a casa di Joel dove lo trova con la sua registrazione della Lacuna, mentre tiene in mano un disegno della loro precedente relazione che lui non aveva consegnato. Entrambi capiscono la verità sul loro passato. Pur sapendo che una nuova relazione potrebbe finire per gli stessi motivi che avevano registrato sui nastri, decidono di non lasciare che questi impediscano loro di vedersi e di vivere tutti gli attimi felici che potrebbero vivere. Il film termina con una lotta a palle di neve sulla spiaggia di Montauk.