未來世界中，工程工人道格拉斯（阿諾·施瓦辛格飾）被持續的紅色火星夢境困擾。他接受回憶旅行公司的記憶植入服務，卻在過程中遭遇系統崩潰。虛擬體驗失控后，妻子勞瑞（莎朗·斯通飾）暴露出間諜身份并試圖殺害他，神秘人出現揭露其真實身份——火星獨裁政權派往反政府武裝的特工。在反抗軍成員梅麗（雷切爾·蒂科汀飾）的影響下，道格拉斯背叛原陣營，帶著殘缺記憶踏上火星尋找真相。隨著反政府組織領導人柯黑根（羅尼·考克斯飾）親自追殺，記憶與現實的界限逐漸模糊。當道格拉斯啟動火星地心供氧裝置完成使命時，他始終無法確認自己究竟是特工奎托的覺醒本體，還是普通工人被植入的記憶載體。