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男主人公柯布曾是极具天赋的“造梦师”。他有一项特殊的技能，就是可以进入别人的潜意识中创造出一个梦境，被潜入者称为“梦主”。此外柯布还可以将某一“观念或想法”植入对方的潜意识中，并让梦主深信不疑，这一过程叫做“种梦”。影片中设定，梦主也可以修改梦境，造梦师作为入侵者，在梦境中会被梦主潜意识中的投影人物所驱逐。梦境中仍旧可以再次选择梦主创造出新一层的梦境，并以此逐层向下，每层梦境的时间流逝速度都不一样，越往下层梦境，时间流逝越慢，多层梦境间的时间跨度甚至可达到积数倍的增长，如最上层梦境的十分钟可能是最下层梦境的百余年。
当下层梦境中的人死亡或者经受“坠落”、“疼痛”等强刺激，才会回到上一层梦境。若梦境中的人无法意识到自己在梦境中，就永远无法回到现实世界中，而身处梦境中的人为了分辨自己所处的是梦境还是现实，都会准备一个具有特殊含义的“图腾”。比如柯布的图腾是一个陀螺，梦境中会一直不停地旋转。这些设定都是随着剧情的进展而逐渐展开，慢慢呈现在观众面前的一个宏大的梦境世界观体系。
影片的开场是柯布历经不知多长的岁月与老年斋藤会面的场景，这一幕其实是影片中“种梦”的最下一层梦境，从故事时间顺序上并非最先，导演却将它放到了第一个场景之前，故意造成观众的逻辑混乱，埋下后续故事的伏笔。柯布原本家庭幸福，有温柔的妻子和可爱的一双儿女，但因其“种梦”的行为被国家安全局通缉，无法入境回到家中，只好辗转于其他国家之中，继续从事“造梦”的黑色事业。有家涉及能源争夺的大公司雇用柯布团队通过造梦技术窃取对手公司的商业机密。对手公司（即全球能源巨头企业）的老板就是斋藤。
电影故事的时间主线就是从柯布、亚瑟、纳什的盗梦团队针对斋藤的一次造梦行动开始的。这是个两重梦境，现实层是在日本“和谐号”高速列车的车厢中，第一层梦境是在非洲某不知名动乱地区，梦主是斋藤，纳什是这层梦境的“造梦师”。第二层梦境是日式会馆，梦主仍是斋藤，造梦师是亚瑟，目的是从保险柜中偷出机密文件，也就是现实中斋藤脑海中的商业机密。
但是他们的行动被斋藤识破了，斋藤在第二层梦境里故意泄露机密的细节，表明斋藤受过某种“反侵入意识”的训练。而纳什在设计第一层梦境的地毯时考虑欠周全，把本来应该是羊毛的地毯弄成了涤纶质地，让斋藤从第二层梦境醒来时意识到自己还是在做梦，从而再没有挖掘秘密的可能。此外还有柯布的妻子茉儿跳出来搅局，破坏了“造梦”计划。
失败后的团队成员回到现实，从列车上撤离，柯布和亚瑟到酒店后准备逃离。柯布在这里给美国的一双儿女打了电话，影片在这里第一次展示了柯布“图腾”的意义，即通过转陀螺来测试自己是在梦境中还是在现实里。此时斋藤找到他们，给了柯布一个诱惑力极大的选择，如果柯布可以帮斋藤将“解散公司”的想法植入到他最大的商业竞争对手（菲舍能源帝国）的新任继承人罗伯特·费舍的意识里，斋藤就可以帮柯布消除其犯罪记录，从而使柯布能合法入境与子女团聚。
在对子女的万般思念下，柯布接受了斋藤的任务。在重新组建团队时，他意识到必须招募到一个优秀的造梦师，以便让这次梦境的环境设定没有纰漏。柯布到巴黎找到了他的老丈人，脑科学教授迈尔斯，寻求帮助。迈尔斯引荐了他的学生阿莉亚德。测试后，柯布也觉得阿莉亚德很有天赋，随即带她做了一番建造梦境的体验，阿莉亚德展现出她天才般的设计才能。这段也是影片中最为酷炫的情节，阿莉亚德在梦境中大展身手，设计出一系列炫彩夺目、违反现实逻辑和物理定律的场景，柯布正在告诫阿莉亚德不能用现实中的细节为蓝本创造梦境，茉儿又出现了，中断了阿莉亚德的创造。阿莉亚德思考再三，终于接受了本次任务。
柯布又到肯尼亚的蒙巴萨找到伊姆斯作为梦境中的伪装师，没想到此地也是对手公司的地盘。经过一番激烈的追逐打斗后，众人终于与斋藤汇合。随后经过讨论，柯布认为要达到足够深沉稳定的多重梦境，还需要一位优秀的药剂师。伊姆斯推荐了约瑟夫，他在自家地下室里开了家靠提供药物来维持梦境的“梦之家”。在这里影片向观众展示了，分不清楚梦境和现实的后果就是永远靠药物沉陷于梦境中，哪怕在现实中已经瘦骨嶙峋，面容枯槁。为了展示他的药物支持梦境的稳定性，约瑟夫邀请柯布尝试了一下，而柯布又梦到了茉儿。
团队招募完毕，大家都认真做着准备。在这一段时间里，阿莉亚德也知晓了柯布梦境中老是破坏的茉儿是柯布对故去妻子的投射，所以他无法再成为“造梦师”。虽然柯布有意识地将关于茉儿的记忆封锁起来，但是阿莉亚德质疑这样做没有用，应该正视自己内心的愧疚，否则会对将来的行动带来危险，柯布不置可否。
梦境中折叠的城市（电影《盗梦空间》截图）
菲舍的父亲莫里斯过世了，他也正式接任家族企业。团队觉得菲舍运送父亲灵柩回洛杉矶的十个小时正是“种梦行动”的大好时机。于是各显神通开始布局：斋藤买下了整个悉尼飞洛杉矶的航线，众人顺理成章与菲舍同坐头等舱；伊姆斯偷了菲舍的护照；柯布利用还护照的时机与菲舍接触，并利用碰杯的机会下入镇静剂，让菲舍沉睡进入到多重梦境中。
精彩的“梦中梦”开始，第一层梦境的梦主是约瑟夫，造梦师阿莉亚德创造出大雨滂沱的街头，此时众人才发现菲舍受过专业的军事训练，具有极强的防御意识。绑架菲舍的混战中斋藤中枪，伊姆斯在此投射化身成菲舍的彼得叔叔，想劝说菲舍其父亲保险箱中的遗嘱是希望他解散公司。而菲舍与父亲的关系十分糟糕，根本不愿意相信父亲让自己解散公司是因为爱自己。
梦境中创造世界（电影《盗梦空间》截图）
此时柯布向阿莉亚德讲述出他和梦境中茉儿对立的原因。原来二人都是创造梦境的高手，也一直在研究多重梦境，甚至在梦境中自己创造的世界里生活了五十年。但是茉儿分不清现实还是梦境，不愿回到现实中，柯布只好在她的潜意识里植入“这不是真实的世界”的念头。没想到茉儿在如他所愿回到现实后，依旧认为自己在梦境中，最终选择自杀。众人发现斋藤的状态很差，但刺激时间点未到，若斋藤此时死去只能就此游荡在潜意识的迷离领域中，永远难回现实。为了救斋藤，也为了完成任务，众人接着进入到下层梦境。
第二层梦境的梦主是亚瑟，阿莉亚德创造出酒店场景。柯布主动告知菲舍这是在梦境中，并邀请菲舍进入到彼得叔叔的潜意识中去探寻其父亲真实的遗嘱，其实是进入到菲舍自己潜意识中。第三层梦境的梦主是伊姆斯，阿莉亚德创造出深山雪林中的医院。就在菲舍即将打开父亲的保险箱时，茉儿又出现并枪杀了菲舍。行动功亏一篑，阿莉亚德提出去下一层梦境中救回菲舍继续实施原定计划。
第四层梦境是柯布创建的世界，二人找到茉儿，菲舍果真被她带下来。柯布让阿莉亚德带着菲舍在上层梦境刺激时间到来前离开，并完成计划。因为斋藤在上层梦境中已死，必然在下层迷失梦境中的哪个地方游离，他要找到并带斋藤离开。多重梦境的刺激时间即将到来，阿莉亚德带菲舍回到上层梦境，打开了保险箱，里头是象征着父亲对孩子的爱的风车，菲舍原谅了父亲，也接受了“解散公司”的想法。而在迷失领域中，经过多年的寻找，柯布终于被带到了已经老态龙钟的斋藤面前，斋藤认出柯布，举枪自杀。
众人回到现实中，斋藤履行诺言，消除了柯布的犯罪记录。柯布回到家里，看到儿女的背影有些恍惚，下意识地拿出陀螺旋转。但是等不及看到陀螺旋转的结果便朝子女奔去，桌上那个陀螺还在旋转着，在出现略微歪斜的状态，旋转的声音也逐渐减慢时，影片结束。结尾处仍旧设置了一个悬念，让初次观影的观众会产生疑惑，好似影片还没有真正结束，陀螺会彻底停下么？柯布究竟真的回到现实世界了么？