在佛罗里达州迈阿密，一个被海水淹没的未来世界正缓缓展开。全球变暖让东海岸的大部分城市沦为水下废墟，仅存的陆地被贪婪的地产大亨们瓜分殆尽。破败的街道上，人们蜗居在漂浮的船屋或贫民窟中，记忆成了他们唯一的避难所。
退伍军人尼克·班尼斯特（休·杰克曼饰）经营着一家特殊诊所，通过"记忆重现"机器帮助客户重温过往。这台曾用于警方审讯的设备，如今成了困顿者的精神鸦片。他的搭档艾米丽·沃茨（桑迪·牛顿饰）总在提醒他保持清醒，但尼克自己却逐渐沉溺于记忆的漩涡——尤其是当神秘女子梅（丽贝卡·弗格森饰）闯入诊所的那天。
梅为寻找丢失的钥匙而来，却在尼克的记忆里留下更重要的印记。她哼唱的古老民谣，恰是尼克祖父临终前最爱的旋律。两人很快陷入热恋，梅讲述着海上白房子的奇遇，尼克则相信这是命运的安排。直到某天，梅如同泡沫般消失在海雾中，留给尼克的只有破碎的记忆拼图。
当尼克在犯罪头目圣乔（吴彦祖饰）手下的记忆里发现梅的身影时，真相开始崩塌。梅不仅与黑警塞勒斯（克利夫·柯蒂斯饰）有所勾结，更涉嫌盗窃诊所内存放的机密记忆档案。这些档案涉及地产大亨沃尔特·西尔万的婚外情，以及他从未公开的私生子弗雷迪。记忆中的爱人突然变成危险的谜团，尼克不得不在虚实交错的迷宫中寻找答案。
随着调查深入，尼克发现塞勒斯才是真正的操盘手。他胁迫梅接近尼克，目的正是窃取能威胁西尔万家族的证据。在最后的记忆回溯中，梅用死亡完成了救赎——她保护了无辜的弗雷迪，并给尼克留下忏悔的遗言。暴怒的尼克用记忆机器对塞勒斯实施了脑部摧毁，这种比死亡更残酷的惩罚，映照出爱情幻灭后的黑暗面。
当迈阿密陷入土地改革的暴动时，白发苍苍的尼克仍浸泡在记忆舱中。沃茨每周都会来更换鲜花，就像多年前他们共同经营诊所时那样。在永不褪色的记忆里，尼克重述着俄耳甫斯寻找欧律狄刻的神话，只是这次，他让故事停留在了幸福的瞬间。机器舱外潮水汹涌，舱内的微笑凝固成永恒。
这部糅合了黑色电影与科幻元素的未来版《马耳他之鹰》，用记忆的载体探讨了更深刻的命题：当现实令人窒息，我们究竟该活在真相里，还是沉溺于精心修饰的回忆？水漫金山的迈阿密像一面哈哈镜，映照出人性在欲望与救赎间的永恒摇摆。