近未來，小說家江豐（黃渤飾）與妻子張代晨（徐靜蕾飾）從相知相愛到相互傷害，原本幸福美滿的婚姻終于走到盡頭。傷心欲絕的江豐走進記憶中心，希望通過高科技手段將這段感情記憶從腦海中抹除。手術過程中意外接收了連環殺人犯的記憶碎片，導致其腦中出現陌生記憶片段。當妻子要求恢復記憶時，江豐意外發現這些記憶竟涉及三年前一樁未破的女性連環兇殺案。擁有多年辦案經驗的警官沈漢強（段奕宏飾）介入調查，通過記憶回溯技術引導江豐挖掘更多細節。隨著記憶迷宮被層層破解，案件核心逐漸指向擅長利用醫學知識作案的女性外科醫生李慧蘭（許瑋甯飾），其作案動機與童年遭受性侵的創傷密切相關。沈漢強在追查過程中暴露出自身因母親遭家暴而形成的極端正義觀，最終真相揭露李慧蘭與張代晨存在隱秘關聯。案件告破后江豐選擇與妻子共同面對記憶殘留的影響，而手術中心的技術漏洞則為故事留下了開放式結局。