Doug Quaid (Colin Farrell) leva uma vida pacata. Ele mora na Colônia, trabalha em uma fábrica na Bretanha Unida e é casado com a bela Lori (Kate Beckinsale). Um dia, resolve visitar a Rekall, uma empresa que oferece aos clientes a inserção de memórias no cérebro, simulando viagens que não aconteceram de verdade. Doug se submete ao tratamento, mas durante a inserção algo dá errado e ele logo se vê cercado por policiais, os quais mata sem dó nem piedade. Sem saber o que está acontecendo, Doug foge para casa. Lá descobre que Lori também está contra ele e deseja matá-lo. Após escapar da esposa, Doug começa a decifrar o enigma: no passado ele foi um importante agente do chanceler Cohaagen (Bryan Cranston), com ligações entre os rebeldes que desejam a liberdade da Colônia.
Baseado no conto We Can Remember it for You Wholesale, de Philip K. Dick.