Dom Cobb (Leonardo DiCaprio), juntamente com seu organizador e braço direito Arthur (Joseph Gordon-Levitt), estão em uma missão de invasão da mente do poderoso empresário japonês Saito (Ken Watanabe) usando uma técnica de espionagem industrial através dos sonhos. A dor é sentida nos sonhos, porém a morte leva a pessoa a acordar. Cobb carrega consigo um totem na forma de pião, que originalmente pertencia à sua falecida esposa Mal (Marion Cotillard), para determinar se ele está sonhando ou não. A extração falha devido a intervenção de Mal, cujas lembranças assombram a mente de Cobb e sabotam suas missões. Saito revela que ele estava, na verdade, fazendo um teste para saber se a equipe tinha capacidade de fazer uma inserção, ou seja, usar os sonhos de uma pessoa para implantar a origem de uma ideia. Em troca, ele promete livrar todas as acusações de assassinato contra Cobb, se a missão for bem sucedida, para que ele possa rever seus filhos nos Estados Unidos.
O alvo de Saito é Robert Fischer (Cillian Murphy), filho do inimigo empresarial dele, Maurice Fischer (Pete Postlethwaite). O objetivo é convencer Fischer a dividir o império do pai após a morte dele. Cobb recruta Eames (Tom Hardy), um falsificador capaz de mudar de aparência física dentro dos sonhos, Yusuf (Dileep Rao), um químico que formula sedativos, e Ariadne (Ellen Page), uma estudante que ele e Arthur treinam para criar os cenários dos sonhos. Quando o velho Fischer morre em Sydney, Saito e a equipe dividem um voo com Robert Fischer para Los Angeles a fim de sedá-lo.
Com Fischer inconsciente, eles entram no sonho de Yusuf, uma área metropolitana chuvosa, e sequestram Fischer. Entretanto, são atacados pelas projeções treinadas do inconsciente de Fischer, e Saito é ferido gravemente. Devido a influência dos sedativos e as múltiplas camadas de sonhos, a morte leva a pessoa para o limbo, um mundo de sonhos não construídos, por um tempo aparentemente indefinido. Cobb revela a Ariadne que ele passou anos no limbo com Mal, onde eles moldaram um mundo de acordo com suas ideias e que ao acordarem, Mal ficou convencida de que eles ainda estavam sonhando e cometeu suicídio, incriminado Cobb para persuadi-lo a fazer o mesmo, porém, ele fugiu dos EUA e das acusações.
Eames muda sua forma para a de Peter Browning (Tom Berenger), o padrinho de Fischer, para tentar extrair informações de Fischer mas nada consegue. A equipe entra em uma van e são sedados para o sonho de Arthur, um hotel, onde eles convencem Fischer de que ele foi sequestrado no primeiro nível por Browning e que devem entrar na mente dele para determinar seus motivos. Na verdade o sonho é o de Eames, uma área montanhosa e nevada, onde devem invadir uma fortaleza para revelar a ideia plantada. Para acordar e proteger a equipe, um membro fica para trás em cada nível com "chutes" sincronizados: Yusuf dirigindo a van para fora de uma ponte, Arthur explodindo um elevador com os corpos da equipe em gravidade zero, e Eames detonando explosivos na fortaleza da montanha.
Fischer acaba sendo morto por Mal e vai para o limbo. Ariadne e Cobb o seguem para confrontá-la. Lá, Mal tenta convercer Cobb a ficar, fazendo com que ele questione sua própria realidade. Cobb revela que ele plantou uma ideia na mente de Mal para que ela acordasse, fazendo ele indiretamente responsável por sua morte. Ela o ataca, porém Ariadne atira nela. Cobb permanece no limbo para localizar Saito, que havia morrido no nível anterior, enquanto Fischer e Ariadne retornam para a fortaleza, onde Fischer chega à conclusão de que seu pai desejava que ele viesse a ser um homem de convicções próprias. Cobb consegue localizar um envelhecido Saito e lhe diz que ambos precisam retornar à realidade. Ele acorda de volta no avião e encontra todos bem. Saito honra o acordo com Cobb e o livra das acusações de assassinato; Cobb entra nos EUA e finalmente retorna para sua casa. Ele gira o pião para verificar se está sonhando ou não, porém é distraido por seus filhos antes que qualquer resolução possa ser vista, deixando o final aberto a interpretações.
