兩名盜夢領域的專家，他們能夠進入到目標的夢境中，窺探出對方大腦裡的所有秘密。正因為他們有這樣的能力，所以他們知道如何在大腦中建立防禦。他們找到能源大亨齋藤，希望能為他提供這樣的服務。而齋藤卻笑了笑，他會考慮兩人的建議的。
看到這樣的反應，亞瑟察覺到了異常，他們的身份可能暴露了。柯布看了看手錶，距離夢境結束還有一段時間，原來兩人現在就處在夢境中，他們想要盜取齋藤腦中的秘密助手，守護在三人身旁，他會在必要的時候喚醒三人。
此時窗外傳來了劇烈的爆炸聲，一群暴徒正在向他們的房間走過來。柯布看到屋頂掉落的瓦片，知道他們搭建的夢境馬上就要倒塌了。亞瑟認為他們這次肯定要無功而返了。不過柯布卻發現了一個細節，剛才跟齋藤聊天的時候，他的眼神總盯著保險櫃看，他們要找的東西就藏在保險櫃裡。兩人正聊著，一個女人出現在了他們的視線裡。他叫莫爾，是柯布的妻子。
柯布顯然對他沒有任何防備，跟他打了聲招呼便去執行任務了。他打暈守衛，偷偷溜進了會客廳。跟他猜想的一樣，保險櫃裡果然有他需要的東西。但就在這個時候，莫爾帶著齋藤走了進來，他們甚至還抓到了亞瑟。如果一個人死在夢境，那麼他就會立刻從現實世界中醒來。為了讓亞瑟少受皮肉之苦，柯布拿起手槍打死了他。
由於夢境是由亞瑟搭建的，所以只要他醒來，那個虛擬的世界就會立即坍塌。柯布一邊躲避追殺，一邊尋找掩體，他必須在醒來之前看到檔案袋中的內容，不過他最終還是沒有得逞，檔案中的關鍵資訊已經全被齋藤劃掉了，繼續留在這裡已經沒有意義。助手將頦部推進水中喚醒了他。
柯布對齋藤的做法非常好奇，從那些缺失的內容可以看出來，齋藤對他們的到來早有防備，但既然知道真相，為什麼還允許他們進入夢境呢？齋藤表示，他只是想測試柯布的實力而已，現在看來柯布也不過如此。在一輛行駛的列車中，柯布三人和齋藤依舊處於沉睡之中，原來他們的計劃是夢中夢。他們的第二層夢境被識破，然後進入第一層夢境。對於被竊取的目標來說，他們往往就會認為此刻已經回到了現實世界。不過齋藤卻非常狡猾，家裡的地毯一向都是羊毛的，怎麼會突然變成滌綸的？
只有一種情況可以解釋，現在他們依然處在夢中柯布的計劃被徹底看穿了，三人相繼回到了現實世界，趁著齋藤還沒有甦醒，他們必須離開現場。幾分鐘之後，齋藤從夢中醒來，他看到手腕上有被夾過的痕跡，就知道剛才發生的一切並不僅僅是一場夢。回到酒店的柯布旋轉起了陀螺，這是她的專屬圖騰。夢境中的陀螺是不會停止的，他一直都依靠陀螺來判斷自己是否還陷在夢境中。
陀螺停止了，柯布的心也放了下來，屋子裡響起了一陣電話鈴聲，來電的是柯布的兩個孩子，他們跟外婆生活在一起，父母已經離開他們很久了，柯布安慰他們，等忙完手上的工作就回家，但是媽媽卻永遠也回不去了。外婆似乎不願提起這件事，便匆忙結束通話了電話。亞瑟推門走了進來，僱主很可能已經得知了他們任務失敗的訊息，現在他們必須要去避避風頭了。正當兩人準備乘坐直升機離開的時候，齋藤突然出現在了飛機上。他剛剛才見識了柯布雙層夢境的專業性，如果不是駐守在地毯上露出馬腳，說不定他們已經成功了。齋藤想請他們幫個忙，在指定目標的腦中。錄一段記憶，齋藤的競爭對手是一個病入膏肓的老人，他的兒子即將掌管公司，他想讓兒子改變想法，親手毀掉父親的產業。亞瑟立刻否定了這個提議，把不屬於一個人的記憶強加給他，這幾乎是不可能完成的。柯布同樣覺得這件事很難，便一口回絕了。
不過，齋藤卻開出了一個讓柯布無法拒絕的條件，他可以幫柯布洗清罪名，回到孩子們身邊。自從妻子死後，孩子便是柯布生命的全部，只要能重回孩子們的身邊，他什麼都願意去嘗試。兩人的目的地是巴黎，他要組建更專業、更可靠的築夢師團隊。柯布在一所大學中找到了岳父，他是柯布盜夢領域的啟蒙老師，他這次前來是想跟岳父見一名學生。這名學生名叫愛蓮，在建築學方面有著驚人的天賦，愛憐的工作室搭建夢境中的所有設施，包括一草一木。都必須像真實的一樣，這樣目標才不會發現自己身處在夢裡。為了讓愛蓮感受的更真切，他們利用夢境分享系統進入了愛憐的夢境。在裡邊，愛蓮展示了他近乎瘋狂的想象力。每個進入夢境的人都會從潛意識產生一種防禦，比如街道上的行人就是柯布潛意識中的防禦者。築夢師改變的東西越離譜，這些防禦者就會越快的發現他，一旦他們察覺到了，入侵者便會瘋狂地向他攻擊。愛憐的想象力越來越天馬行空，柯布似乎也感覺到了危險。就在這個時候，防禦者們發現了愛蓮，他們將兩人拉開，從不遠處走來，一刀就殺死了愛蓮，醒來後的愛憐非常氣憤，一次次的出來干擾他，這遲早影響到他們未來的計劃。第二天，柯布來到蒙巴薩，找到了依姆，這是他要找的第二名新成員。
依姆是一名優秀的模仿者，他可以在夢境中扮演任何需要的角色。在依姆地介紹下，他們找上了一名藥劑師。藥劑師在夢境中擔任著絕對重要的位置，在一般的雙層夢境中，只需要普通藥劑就可以維持穩定的睡眠。但這次的植入任務，他們必須潛入到第三層夢境。夢境潛入的越深就越不穩定，他們需要藥劑師來調配一種更強的鎮定劑。團隊組建完成，下一步就是制定潛入計劃了。這次的潛入目標名叫費舍爾，是明日能源集團的繼承人，他們的公司掌握著半個世界的能源供給，在他們的猛烈擴張之下，齋藤的公司已經有些吃不消了，所以他才想透過夢境、植物的方法讓費舍爾解散父親的企業。當然，想要達成這樣的目地是非常不容易的，他們需要一個明確的動機。
費舍爾為什麼要解散父親的企業？根據他們掌握的情況來看，費舍爾跟父親的關係是很緊張的，他們想利用這層關係，讓費舍爾在第一層夢境中意識到他不想再活在父親的溫室中，接著他們進入第二層，這裡他們會讓費舍爾產生一個想法，它要靠自己闖出一片天，最後在第三層，他們會把費舍爾帶到父親的病床前，讓父親親口告訴他，靠自己同樣可以創造輝煌。在這三層夢境的暗示之下，費舍爾就會覺得解散父親的企業是自己內心的真實想法。
藥劑師研製的新型鎮定劑能夠加快大腦的運轉速度，也就是說，夢境中的時間將會比現實世界快20倍，進入夢中夢效果則會翻倍。那麼算下來的話，第一層夢境會持續一週，第二層是半年，第三層則是十年。沒有人會願意在夢境中停留十年，所以當他們完成任務之後，必須有人把他們喚醒，而喚醒的方式就是墜落。就比如影片剛開始時，柯布落進浴缸中的一樣，透過一種強烈的刺激或失重感，像一個人清醒。重要的是，他們要讓三層夢境的墜落同時發生，如果錯落，那他們就只能在夢境中等待藥效結束。
為了在夢境中有充足的時間完成計劃，他們必須在現實中跟費舍爾共處十個小時。怎麼才能製造出這樣的環境呢？此時齋藤想到了一個方法，費舍爾每兩週會在悉尼和洛杉磯之間往返，轉一次航程剛好十個小時，為了防止有人打擾，齋藤買下了整個航空公司，一切準備就緒，剩下的就只有等待了。晚上，愛連偷溜進了柯布的夢境，並在夢境的最後一層見到莫爾。莫爾緩緩回過頭質問她為什麼要來到這裡。愛蓮顯然被嚇到了，眼前的這個人似乎隨時都會吞沒它，好在柯布及時趕到，將她拉了出來。醒來後的兩人得到一個訊息，費舍爾的父親去世了，他將會在下週二去洛杉磯舉行葬禮，這天就是他們動手的好機會。
登上飛機之後，科不耍了個小手段，就把費舍爾迷暈了。接著他們就拿出工具進入了夢境。第一層夢境是在藥劑師的夢中進行的，他們按照計劃順利的劫持了費舍爾，但就在這個時候，一群武裝部隊襲擊了他們。原來費舍爾曾受過專業的潛意識訓練，當費舍爾在夢境中受到威脅的時候，就會自動觸發潛意識防禦，消滅入侵者。眾人艱難地逃到一間廠房裡，不過齋藤卻在剛才的槍戰中受傷了。依姆拿出手槍想要殺掉他，因為在夢境中死去就會回到現實，總比在這裡受苦要好。不過柯布卻阻止了他，他們這次的行動不同於往日，在如此強烈的藥效下，即便死去也不會醒過來，而是會進入一個灰色地帶迷失域。那是一個荒蕪的世界，除了一些原始的混沌之外，其它一無所有，而在他們當中，只有科不進去過。現在他們徹底陷入了兩難，一面是訓練有素的防禦部隊，一面是充滿未知的迷失域。
他們唯一能做的就是速戰速決，然後利用墜落離開夢境。他們扮成劫匪的樣子給費舍爾灌輸了一個思想，他父親的書櫃有個保險箱，他們要讓費舍爾說出密碼。為了加深他的印象，他們讓伊姆辦成費舍爾叔叔的樣子，繼續暗示他保險箱裡有一份遺囑，內容是解散整個明日能源集團。這裡其實就給費舍爾的潛意識埋下了一顆種子，父親的絕情，讓他不想繼續生活在溫室當中。另一邊愛憐和柯布聊起了迷失與的話題。
柯布和莫爾都是夢境的忠實愛好者，他們不計後果的研究，雙層夢境乃至多層夢境，直到他們陷入了迷失，率這裡會讓他們喪失絕大部分記憶。他們開始分不清夢境和現實。莫爾將現實的記憶封鎖起來，把迷失域當成真實的生活。他們被困在裡邊整整50年。當他們醒過來之後，莫爾開始變得異常起來。他覺得現在的生活依舊是在夢境中，只有自殺才能夠回到現實世界。
所以在他們結婚紀念日的晚上，墨爾就跳樓身亡了。為了逼迫柯布跟她一起自殺，他給律師留下了一封信，證明是柯布殺死了他。無奈的柯布只能拋棄孩子，開始逃亡。兩年來，他一直希望重回孩子們的身邊。正當兩人聊著的時候，防禦者們追蹤到了這裡，他們必須帶著費舍爾離開了。
他們一邊逃亡，一邊商討著第二層夢境中的計劃。父親想要解散集團，費舍爾心裡肯定充滿了恨意，他們要把這份恨意轉移到叔叔身上，因為他們的目的是讓費舍爾解散工資。如果他恨父親，那麼他一定會為了反抗而把公司做好，他們留下要幾時負責墜落，其他人則進入了第二層夢境，他們讓伊姆假扮成美女。偷走了費舍爾的錢包，並從裡面找到了一張費舍爾小時候拿著風車的照片，這是父親親手為他做的，接著磕不將自己偽裝成了費舍爾的安全主管，這樣他就可以騙取對方的信任了。柯佈告訴費舍爾，他現在正處於夢境當中，有人企圖盜取他的秘密，他的錢包被偷走，說明已經有人盯上他了。費舍爾相信了柯布的話，並跟隨他來到了528號房間，他們想要在這裡將費舍爾帶到第三層夢境。
為了實現墜落感，亞瑟在下面房間的屋頂上安裝了炸彈，只要時間一到，它就會引爆炸彈，讓所有人甦醒。就在這個時候，費舍爾的叔叔也走進了房間。由於第一層夢境的暗示，費舍爾認為叔叔也被綁架了，那他為什麼還會出現在這裡呢？只有一種情況可以解釋，所謂的綁架案都是叔叔策劃的，他想要從費舍爾口中逼問出密碼，拿到。就這樣，更易被成功轉移到了叔叔身上。叔叔表示，父親解散公司其實是對費舍爾的諷刺，他覺得兒子沒有資格接手自己的企業，但是叔叔卻對他寄予厚望，即便靠費舍爾自己，他也會超越父親的輝煌。第二層夢境的目的達到了，他們給費舍爾種下了一顆，即使解散企業也可以創造輝煌的種子。
為了成功進入第三層夢境，柯布誘騙費舍爾叔叔的腦中一定還有其他秘密，他們要潛入叔叔的夢中，把他們全部挖出來。費舍爾同意了第二層留下亞瑟負責墜落，其他人則全部進入了第三層夢境。這裡是一片冰天雪地，他們把費舍爾想要的真相藏在了一座地堡中，不過這座地堡已經被防禦者佔領了。此時，身在第一層的藥劑師已經陷入了絕境，為了防止被殺，他必須立刻墜落，讓所有人醒過來。但當藥劑師衝下大橋的時候，所有人都因為時間的問題錯過了墜落，錯過墜落，就意味著他們只能等藥效結束才能醒來。柯布不這樣認為，車子衝下大橋後撞擊到水面，還有一次墜落的機會。不過亞瑟卻遇到了一個難題，由於車子下墜，產生了失重，導致第二夢境整個空間都處在漂浮的狀態，這樣即使引爆炸彈也無法造成墜落感。他靈機一動，將所有人全部轉移到了電梯中，然後在電梯底部安裝了炸彈。
炸彈爆炸後產生的推力會製造出短暫的墜落感。第三層夢境是愛蓮設計的，為了以防萬一，他預留了一條捷徑，他們讓費舍爾從捷徑進入到地堡內部，不過這個計劃也被柯布聽到。柯布之所以不能做夢，是因為他潛意識中的莫爾總會出來干擾他。
這次同樣也是，當費舍爾即將到達最後一扇門的時候，莫爾從背後出現打傷了，他可不知道眼前的莫爾是自己幻想出來的，於是就開槍擊中了他，費舍爾陷入了昏迷，他進入了更深一層的夢境。柯布表示這次行動結束了，任務失敗，不過愛憐卻想到了一個辦法，他可以跟柯布一起進入到第四層夢境，在那裡找到費舍爾，然後透過墜落將她帶回來。時間緊迫，他們拿出裝置就進入了第四層夢境。可不知道莫爾也在這層夢境中，他為了跟自己永遠在一起，肯定會綁架費舍爾。
這層夢境的佈局是科普和莫爾共同搭建的，所以他知道去哪裡尋找木耳。柯布回到了記憶中他們住過的地方，莫爾已經在等著他們了。這時候，科布終於說出了他內心深處的秘密，他雖然沒有直接殺死妻子，但妻子卻因她而死。柯布之所以堅信植入想法是可行的，是因為他曾拿妻子做過實驗。莫爾陷入夢境無法自拔，他甚至把迷失與當成了真實世界。為了讓他醒過來，柯布在他的內心深處埋下了一顆種子，只有死亡才能夠真正醒過來。兩人雙雙臥軌之後回到了真實世界，但讓科普沒想到的是，這顆種子產生了副作用。妻子認為現實世界也是夢境，只有死亡才能脫離。無論柯布如何勸說，都無法改變莫爾的想法。
最終，莫爾在他們結婚紀念日當天跳樓身亡了。莫爾沒有責怪，可不只要他現在願意留下來，他們還是能夠在一起的。另一邊，齋藤的傷情越來越重，再扔完最後一顆手雷後便停止了呼吸。伊姆衝進房間，他開始為費舍爾做電機，夢境立刻電閃雷鳴，這是依姆在向他們傳遞訊號，為了找到費舍爾，可不承諾他會留在這裡陪著妻子。莫爾也遵守承諾，將費舍爾交給了他們。
愛蓮把費舍爾推下大樓，利用墜落讓他在第三層夢境中醒來，然後又拿起槍打死了墨爾，因為只有這樣他才能把科布也帶回去。不過莫爾卻在臨死前將匕首刺進了柯布的胸膛，其實科布本就沒打算離開，齋藤已經死了，他要去迷失域把齋藤帶回來。醒來後的費舍爾走進最終的房間，他發現父親正躺在病床上。父親臨終前曾對他說過一句話，但費舍爾只聽清了兩個字，失望。他一直認為是自己沒有成為父親的樣子，才讓他感到失望。但現在父親告訴他，我對你失望是因為你即將變成我的樣子。父親示意他開啟保險箱，裡邊有一份遺囑和一個風車。
父親依舊像小時候那樣愛著他。費舍爾終於明白了，父親之所以會解散企業，是想讓他走自己的路，不要為任何人而活。伊姆看著眼前的一切，他們的植入計劃成功了，他按下引爆器，將整個堡壘炸燬了。亞瑟也觸發炸彈，讓電梯急速下墜，第一層夢境中的車子也跌入了水面，三層夢境同時墜落，將所有人。全部拉回了現實世界，除了柯布在一片空曠的海灘上醒了過來。終於回到了美國的家，見到了自己的孩子們。之所以有人說《盜夢空間》的結局匪夷所思，是因為片尾沒有給陀螺停下的鏡頭。因為陀螺如果沒有停下，說明還在夢裡；要是陀螺能夠停下來，說明主角已經回到了現實。可是，整部電影都沒有說柯布的圖騰是那隻陀螺啊！而這隻陀螺是誰的圖騰呢？柯布的妻子沫兒。正是因為柯布動了他妻子的圖騰，讓她分不清現實與夢境，最終間接導致了沫兒的自殺……可是雖然影片裡的陀螺搖搖欲墜，但是也沒有給它停下來的鏡頭。既然陀螺不是柯布的圖騰，那為什麼柯布在每一次執行任務的時候都會帶上陀螺呢？
那是因為柯布作為一名出色的築夢師，為了穩妥起見，讓所有人以為自己的圖騰是陀螺，其實是為了隱藏自己的真實圖騰。而如何證明在結尾到底是不是柯布的夢呢？電影給了兩個提示。孩子的臉從電影開頭，柯布去尋找被困在深淵的齋藤時，柯布的兩個孩子永遠都是背影。
無論是在柯布自己的夢裡還是在別人的夢裡，柯布看到的孩子都只是背影，而且一閃而過。可是在柯布回到美國的家後，他終於看到了夢寐以求的孩子們的正臉。這一點可以證明結局是在現實而不是夢。柯布的圖騰既然陀螺不是柯布的圖騰，那他的圖騰是什麼呢？雖然電影沒說，但細心一點可以看出，他的圖騰是一枚戒指——在夢中存在，而現實中不存在的戒指。
在影片最開始出現齋藤的夢裡，柯布很明顯戴著一枚戒指。而在電影的最後，柯布去在過安檢時，手裡並沒有戴著戒指。所以導演克里斯托弗·諾蘭並沒有耍我們，柯布最終還是回到了自己的家裡，擁抱了長時間沒有擁抱了的孩子們。
