Cobb (Leonardo DiCaprio) dan Arthur (Joseph Gordon-Levitt) adalah "Extractor", yang melakukan spionase perusahaan menggunakan teknologi militer eksperimental untuk menyusup ke alam bawah sadar target mereka dan mendapatkan informasi berharga melalui dunia mimpi. Target terakhir mereka, pengusaha dari Jepun Mr. Saito (Ken Watanabe), mengungkapkan bahawa dia mengatur misi mereka untuk menguji Cobb atas pekerjaan yang tampaknya tidak mungkin: menanamkan ide di alam bawah sadar seseorang atau melakukan "permulaan". Untuk membubarkan perusahaan energi yang dipimpin oleh pengusaha yang sedang sakit keras, Maurice Fischer (Pete Postlethwaite), Saito ingin Cobb meyakinkan anak dan pewaris tunggal perusahaan Maurice, Robert (Cillian Murphy), untuk membubarkan perusahaan ayahnya. Sebagai gantinya, Saito berjanji untuk menggunakan pengaruhnya untuk membersihkan nama Cobb dari tuduhan pembunuhan isterinya, Mal (Marion Cotillard), dan membiarkan Cobb kembali ke rumah untuk anak-anaknya. Cobb menerima tawaran tersebut dan membuat pasukannya: Arthur, rekanan Cobb sesama Extractor; Eames (Tom Hardy), penipu dan pemalsu identitas; Yusuf (Dileep Rao), seorang ahli kimia yang membuat ubat penenang yang kuat untuk strategi "mimpi dalam mimpi" yang stabil; dan Ariadne (Ellen Page), seorang mahasiswi seni bina yang bertugas merancang labirin dalam mimpi, direkrut dengan bantuan ayah mertua Cobb, Profesor Stephen Miles (Michael Caine). Ketika berbagi mimpi dengan Cobb, Ariadne mempelajari alam bawah sadar Cobb yang menempatkan proyeksi invasif dari mendiang isteri Cobb, Mal.

Ketika Maurice meninggal di Sydney, Robert membawa jenazah ayahnya dalam penerbangan sepuluh jam kembali ke Los Angeles, di mana pasukan Cobb (termasuk Saito yang ingin menguji keberhasilan mereka) menggunakan hal ini sebagai kesempatan untuk menidurkan diri dan membawa Robert ke mimpi yang sama. Pada setiap tahap mimpi, orang yang mengatur mimpi tetap berada di belakang untuk menyiapkan "hentakan" (kick) yang akan digunakan untuk membangunkan anggota pasukan lainnya yang tidur dari tahap mimpi yang lebih dalam. Agar sukses, hentakan ini harus terjadi bersamaan pada setiap tahap mimpi, sebuah fakta yang rumit kerana sifat waktu yang berjalan lebih cepat di setiap tahap yang berurutan. Tahap pertama adalah mimpi Yusuf tentang Los Angeles ketika hujan. Pasukan tersebut menculik Robert, tetapi mereka diserang oleh proyeksi kereta api dan pasukan bersenjata dari alam bawah sadar Robert, yang telah dilatih secara khusus untuk bertahan dari serangan penyusup tersebut. Pasukan tersebut membawa Robert dan Saito yang terluka ke sebuah gudang, di mana Cobb mengungkapkan bahawa saat sekarat di dalam mimpinya biasanya membangunkan Saito, tetapi obat penenang yang kuat untuk menstabilkan mimpi multi-tahap akan mengirim pemimpi yang sekarat ke dalam "limbo", sebuah dunia bawah sadar yang tak terbatas di mana sangat sulit untuk keluar dari sana, jika memungkinkan, dan seorang pemimpi berisiko lupa bahawa mereka berada dalam mimpi. Terlepas dari kendala ini, pasukan melanjutkan misinya.

Eames menyamar sebagai ayah baptis Robert, Peter Browning (Tom Berenger), dan menyarankan Robert mempertimbangkan kembali kehendak ayahnya. Yusuf mengendarai mobil ketika anggota pasukan lainnya terbius ke tahap kedua dan mereka dikejar oleh proyeksi Robert. Tahap kedua adalah sebuah hotel yang dimimpikan oleh Arthur, Cobb membujuk Robert bahawa dia telah diculik oleh Peter Browning dan Cobb adalah pelindung bawah sadarnya. Cobb membujuknya untuk turun ke tahap lain untuk mengeksplorasi alam bawah sadar Peter Browning (kenyataannya, ini adalah tipu muslihat untuk memasuki alam bawah sedar Robert). Tahap ketiga adalah hospital besar di sebuah pergunungan bersalju yang dimimpikan oleh Eames. Para anggota pasukan harus menyusupi hospital tersebut dan menahan para proyeksi penjaga saat Cobb membawa Robert ke alam bawah sadarnya. Yusuf, di bawah pengejaran proyeksi Robert di tahap pertama, pergi ke jembatan dan menjatuhkan mobilnya, memulai hentakannya terlalu cepat. Hal ini menyebabkan runtuhan salji di mimpi Eames dan graviti sifar di mimpi Arthur, memaksanya untuk melakukan improvisasi hentakan baru yang dapat diiringi dengan mobil Yusuf yang jatuh ke air di jembatan tahap pertama. Proyeksi Mal muncul dan membunuh Robert. Cobb membunuh proyeksi Mal dan Saito meninggal kerana lukanya. Cobb dan Ariadne masuk limbo untuk menyelamatkan Robert dan Saito, sementara Eames melakukan hentakan dengan meledakkan hospital dengan bom.

Cobb memberitahu Ariadne bahawa dia dan Mal pergi ke limbo saat bereksperimen dengan teknologi berbagi mimpinya. Tertidur selama beberapa jam di dunia nyata, mereka menghabiskan lima puluh tahun dalam mimpi membangun dunia dari kenangan mereka bersama. Ketika Mal menolak untuk kembali ke dunia nyata, Cobb menggunakan langkah permulaan yang tidak sempurna dengan mengaktifkan kembali totem Mal (pemimpi menggunakan totem untuk membedakan mimpi dari kenyataan) dan mengingatkan alam bawah sadar Mal bahawa dunia mereka tidak nyata. Mereka pun mencoba keluar dari dunia mimpi dan berhasil. Namun, saat terbangun, Mal masih percaya bahawa dia sedang bermimpi. Berusaha "bangun" ke dunia nyata, Mal bunuh diri dan menjebak Cobb atas kematiannya untuk memaksa Cobb melakukan hal yang sama. Menghadapi tuduhan pembunuhan, Cobb melarikan diri dari Amerika Serikat, meninggalkan anak-anaknya dalam pengawasan Profesor Stephen Miles.

Dengan pengakuannya, Cobb berdamai dengan rasa bersalahnya atas kematian Mal. Ariadne membunuh proyeksi Mal, dan menemukan Robert yang disekap di balkon. Ariadne pun melompat dari balkon bersama Robert untuk membuat sebuah hentakan agar mereka bisa keluar dari limbo. Dihidupkan kembali ke hospital di pegunungan, Robert masuk ke sebuah ruangan untuk melihat dan menerima ide yang ditanam: sebuah proyeksi dari ayahnya yang sekarat, yang memberitahunya untuk menjadi diri sendiri. Sementara Cobb tetap berada di limbo untuk mencari Saito, anggota pasukan lainnya menuju ke hentakan yang disinkronkan kembali ke tahap pertama. Cobb akhirnya menemukan Saito yang sudah tua di limbo dan mengingatkannya akan kesepakatan mereka, dan Saito terlihat mengambil sebuah pistol di mejanya sebelum akhirnya adegan kembali ke pesawat yang menandakan bahawa Cobb keluar dari limbo. Semua pemimpi terbangun di pesawat dan Saito menelefon (untuk membersihkan nama baik Cobb, yang sebelumnya dituduh bahawa dia yang membunuh isterinya, Mal).

Setibanya di lapangan terbang Los Angeles, Cobb melewati pos pemeriksaan imigrasi Amerika Serikat dan Profesor Stephen Miles menemaninya ke rumahnya. Menggunakan totem-nya, sebuah gasing yang berputar tanpa batas waktu di dunia mimpi namun jatuh di dunia nyata, Cobb melakukan tes untuk membuktikan bahawa dia memang berada di dunia nyata atau masih berada di dunia mimpi, tetapi dia mengabaikan hasilnya dan menemui anak-anaknya di kebun. Gasing tetap berputar dan filem pun langsung tamat secara tiba-tiba.