Détective privé alcoolique et cynique, Joe Hallenbeck fut autrefois un héros des services secrets. Sa carrière a tourné court, tout comme celle du footballeur noir Jimmy Dix, qu’il rencontre dans une boîte de nuit où se produit Cory. L’assassinat de cette dernière va lancer les deux hommes dans une enquête difficile et musclée…
Maggie, psychologue, est victime de terribles cauchemars. Elle est chargée de s'occuper de John, un gamin victime lui aussi de rêves atroces dans lesquels le tueur Freddy Krueger le poursuit. Sachant que Freddy ne peut l'atteindre que dans le sommeil, il refuse de dormir ce qui met en colère les médecins qui le soignent.
En 1945, quatre personnes déchirées par la guerre se réfugient dans un monastère abandonné de Toscane pour se guérir de leurs maux. Peu à peu le passé va resurgir et la présence d'un homme mystérieux et méconnaissable, le patient anglais, va bouleverser le destin de ceux qui croisent son chemin.
À Hollywood, durant la nuit, Rita, une jeune femme, devient amnésique suite à un accident de voiture sur la route de Mulholland Drive. Elle fait la rencontre de Betty Elms, une actrice en devenir qui vient juste de débarquer à Los Angeles. Aidée par celle-ci, Rita tente de retrouver la mémoire ainsi que son identité.
Leonard Shelby ne porte que des costumes de grands couturiers et ne se déplace qu’au volant de sa Jaguar. En revanche, il habite dans des motels miteux et règle ses notes avec d’épaisses liasses de billets. Leonard n’a qu’une idée en tête : traquer l’homme qui a violé et assassiné sa femme afin de se venger. Sa recherche du meurtrier est rendue plus difficile par le fait qu’il souffre d’une forme rare et incurable d’amnésie. Bien qu’il puisse se souvenir de détails de son passé, il est incapable de savoir ce qu’il a fait dans le quart d’heure précédent, où il se trouve, où il va et pourquoi. Pour ne jamais perdre son objectif de vue, il a structuré sa vie à l’aide de fiches, de notes, de photos, de tatouages sur le corps. C’est ce qui l’aide à garder contact avec sa mission, à retenir les informations et à garder une trace, une notion de l’espace et du temps.
David Aames est un jeune et brillant éditeur new-yorkais qui a tout pour lui : l'argent, la réussite professionnelle et les femmes. Son ami Pelayo commet l'erreur de lui présenter Sofia, sa nouvelle compagne. Au premier regard, David succombe au charme de celle-ci. Tous les deux filent bientôt le parfait amour. Alors que David se dispute en voiture avec Julie, une ex folle de jalousie, la jeune femme accélère et c'est l'accident. Julie décède. Atrocement défiguré, David est transporté d'urgence à l'hôpital où les médecins ne peuvent réaliser de miracle. Sa vie bascule. Les gens ont dorénavant peur de lui et Sofia l'évite. Mais un matin, David se fait gentiment réveiller par celle-ci, qui lui déclare son amour. Les médecins lui annoncent même qu'il pourra retrouver son ancien visage. Réalité ou hallucination ?
Une théorie prétend que si l'on pouvait retourner dans le passé et changer quelques détails de notre vie, tout ce qui en découle serait modifié. On appelle cela «l'effet papillon». Evan Treborn a cette faculté. Fasciné, il va d'abord mettre ce don au service de ceux dont les vies ont été brisées dans leur enfance. Il peut enfin repartir dans le passé et sauver la seule jeune fille qu'il ait jamais aimée. Mais Evan va découvrir que ce pouvoir est aussi puissant qu'incontrôlable. Il va s'apercevoir que s'il change la moindre chose, il change tout. En intervenant sur le passé, il modifie le présent et se voit de plus en plus souvent obligé de réparer les effets indésirables de ses corrections...
Joël et Clémentine ne voient plus que les mauvais côtés de leur tumultueuse histoire d’amour, au point que celle‐ci fait effacer de sa mémoire toute trace de cette relation. Effondré, Joël contacte l’inventeur du procédé Lacuna, le Dr. Mierzwiak, pour qu’il extirpe également de sa mémoire tout ce qui le rattachait à Clémentine. Deux techniciens, Stan et Patrick, s’installent à son domicile et se mettent à l’œuvre, en présence de la secrétaire, Mary. Les souvenirs commencent à défiler dans la tête de Joël, des plus récents aux plus anciens, et s’envolent un à un, à jamais. Mais en remontant le fil du temps, Joël redécouvre ce qu’il aimait depuis toujours en Clémentine – l’inaltérable magie d’un amour dont rien au monde ne devrait le priver. Luttant de toutes ses forces pour préserver ce trésor, il engage alors une bataille de la dernière chance contre Lacuna…
Rachel prend tous les jours le même train et passe toujours devant la même maison. Dévastée par son divorce, elle fantasme sur le couple qui y vit et leur imagine une vie parfaite… jusqu’au jour où elle est témoin d’un événement extrêmement choquant et se retrouve, malgré elle, étroitement mêlée à un angoissant mystère.
Un médecin psychiatre fasciné par les phénomènes de rêves éveillés se penche sur le cas de l'un de ses patients dont les rêves violents ont pour thème des assassinats politiques. Il va alors découvrir un programme gouvernemental expérimental ultra dangereux qui va mettre en péril la vie de son patient, mais aussi la sienne et celle de ses proches...
Liam se réveille d'un accident de voiture sans souvenir de qui il est. Alors qu'il se rend en ville pour chercher de l'aide, il ne trouve que des cadavres, tous avec d'étranges yeux pâles. La première évaluation de Liam est qu'un virus est présent dans l'air, mais il découvre bientôt l'horrible vérité: toute personne qui se trouve dans un rayon de 50 pieds de lui meurt instantanément.