עלילת הסרט עוקבת אחרי דאגלס קוויד, החי חיים פשוטים בכדור ארץ עתידני בשנת 2084. קוויד, העובד למחייתו כפועל בניין, מוטרד מחלומות חוזרים ונשנים אודות מאדים, אשר על פי עלילת הסרט מאוכלס במושבות בני אדם הסובלות מעוני וממוטציות גנטיות ומתמרדות תדיר כנגד בעלי השררה השולטים בהן. קוויד מספר לאשתו, המגולמת על ידי שרון סטון, על רצונו לנסוע למאדים בעקבות החלומות אך זו מנסה להניאו מכך. לבסוף מחליט קוויד לגשת לחברת "ריקול" (Recall - בתרגום לעברית: זיכרון), המשווקת חופשות בתהליך המזכיר שטיפת מוח. קוויד משתכנע לעבור "השתלת זיכרון", במהלכה יוטמעו במוחו זכרונות של חופשה בדיונית במאדים. עוד הוא מסכים להפוך הזכרונות המושתלים למעניינים יותר עבורו, כך שיהפכו את דמותו בזיכרון המושתל לסוכן חשאי, ישלבו תעלומות, קרבות והרפתקאות שונות.
הסרט מציג את השתלת הזיכרון בתחילה כשגרתית, אך זו במהירות משתבשת. קוויד משתולל בקליניקה בה עבר התהליך וטוען כי המדענים הרסו לו את ה"כיסוי". לאחר שהוא מורדם בסם הרגעה ונשלח בחזרה לביתו קוויד מוצא עצמו בעלילה המזכירה את הזמנתו. חבריו לעבודה ואשתו מנסים להורגו, ואשתו מודה בפניו כי הוא עבר מחיקת זיכרון בעברו כסוכן חשאי שערק ממאדים, וכי הנישואים שלהם היו זיכרון מלאכותי שהושתל במוחו והיא סוכנת חשאית שנועדה לשמור שמחיקת זיכרונו יעילה. לאחר שהוא בורח מאשתו ומקבוצת סוכנים חשאיים בהנהגת ריכטר (מייקל איירונסייד), ראש המתנקשים של שליט מאדים וילוס קוהגן (רוני קוקס), הוא מקבל מזוודה מסוכן חשאי אחר ובה הוא מוצא הקלטה שלו, כביכול בטרם שטיפת מח שנעשתה לו כדי להסתיר את זהותו האמיתית. בהקלטה הוא קורא לעצמו האוזר, והאוזר מתוודה בפניו כי בעברו הוא פעל בשליחותו של קוהגן במטרה לדכא את מרד המוטנטים שפרץ נגדו, אך לאחר שפגש אישה בשם מלינה (רייצ'ל טיקוטין) הוא החליט לערוק לצד המורדים, ועל כך נתפס וזיכרונו נמחק. האוזר מורה לקוויד לטוס למאדים ולחבור למנהיג המורדים קואטו, כדי שזה יעזור לו להבין מהו סוד כוחו של קוהגן.
במאדים חובר קוויד למחתרת אנשי המושבות המורדים בניסיון להבין את הסוד בגינו נהרגו כורים רבים באחד המכרות הסמוכים. הוא מנסה לחבור למלינה ברובע וינוסויל מאוכלס המוטנטים, אך זו דוחה אותו מכיוון שהיא חושבת שהוא עדיין האוזר ועדיין עובד עבור קוהגן. לבית המלון שלו מגיעים לורי ומנהל חברת "ריקול", ד"ר אדג'מר, שמנסים לשכנע אותו שהוא בתוך הזיכרון שהושתל לו ושכל מעלליו האחרונים אינם אלא חלום. ד"ר אדג'מר מנסה לשכנע אותו לקחת גלולה למחיקת זיכרון, אך קווייד מזהה את הפחד של ד"ר אדג'מר והורג אותו. אנשיו של ריכטר ולורי תופסים את קווייד, אך מלינה מצילה אותו וקווייד מצליח להרוג את לורי. השניים בורחים בסיועו של נהג מונית בשם בני (מל ג'ונסון) ובסיוע המוטנטים של רובע וינוסויל עושים את דרכם למפקדה הסודית של המורדים. בתגובה לסיוע של המוטנטים לקווייד ומלינה, עוצר קוהגן את אספקת החמצן לרובע וינוסויל ומותיר לתושביו לגסוס לאט מחוסר אוויר.
קווייד ומלינה יוצרים קשר עם מנהיג המחתרת קואטו, שמתגלה כמוטנט בעל יכולת לקרוא מחשבות. הוא חודר למוחו של קווייד ומגלה כי סוד כוחו של קוהגן הוא מתקן חוצני המשתמש בקרח כדי להפיק חמצן ובכך לאפשר לאטמוספירה בכוכב הלכת השומם לתמוך בחיים. כל עוד שהמתקן לא יופעל לקוהגן יהיה מונופול על אספקת האוויר למושבות מאדים. כוחותיו של ריכטר מאתרים את בסיס המורדים בסיועו של בני, שמתגלה כבוגד, שובים את קווייד ואת מלינה והורגים את קואטו.
קוהגן מראה לקווייד הקלטה של האוזר, בה חושף האוזר כי כל מחיקת הזיכרון הייתה תוכנית שלו עצמו להסתנן לבסיס המורדים ולאתר את קואטו, ובכך לשבור סופית את המרד. קוהגן מנסה למחוק את זיכרונו של קווייד ולהחזיר את האוזר, אך קווייד ומלינה מצליחים לברוח ומתקדמים לכיוון המתקן במטרה להפעילו. בדרך הם נתקלים בבני ובריכטר ובכוחותיו ומצליחים להורגם. בסוף קוויד מתעמת באתר המתקן מול קוהגן, שמנסה לפוצץ את המתקן באמצעות פצצת זמן, אך קווייד משליך אותה לתוך מנהרה, מה שיוצר פרצה לפני השטח של מאדים. הריק שנוצר גורם להישאבות של קוהגן אל מחוץ למתחם הסגור ולמותו מחוסר חמצן באוויר הפתוח של מאדים. קווייד מספיק להפעיל את המתקן לפני שהוא ומלינה נשאבים החוצה ומספק את החמצן הדרוש להמשך קיום החיים על מאדים.
על אף שסוף הסרט דומה לסיוטיו של קוויד, הרי שדמיון העלילה לזו אותה הזמין קוויד מחברת "ריקול", לרבות מראה המתקן החוצני, מטשטשים הגבול בין המציאות לזיכרון המושתל. במהלך הסרט אשתו של קוויד אף מנסה לשכנע אותו שלמעשה הוא סובל מהשפעות השתלת הזיכרון. קוויד מזהה את הלחץ בו היא והטכנאים אשר אמורים לתקן הנזק נמצאים בו והורג אותם, בחושדו שמדובר בתרמית. הסרט לא מספק תשובה לשאלה זו ולא נודע האם הצופה אכן חזה בזיכרון המושתל או שמא הדברים אכן היו מציאותיים עבורו.
יחד עם זאת רמז עבה לכך שמדובר בזיכרון מושתל ולא במציאות מתגלגלת מופיע כבר בסצנה מקדמית. קוויד ישוב על מתקן ב"ריקול" לקראת ההשתלה כאשר טכנאי הבוחן את קלטת ההטמעה מעיר: "זה דבר חדש - שמים כחולים במאדים". בנוסף מוזכרת מפלצת דו-ראשית (מנהיג המורדים), ועל מסך המחשב לפני תהליך השתלת המחשבות מוצגים מכונת החייזרים ודמותה של מלינה, בת זוגו של קוויד במאדים.
מצד שני ישנם קטעים רבים בהם קוויד אינו מופיע ואינו מודע אליהם, מה שמרמז כי איננו צופים בחלום אלא במציאות.
