Henry (Ryan Gosling), un joven atípico, anuncia a su psiquiatra, Sam Foster (Ewan McGregor) que va a suicidarse en tres días. El psiquiatra desesperado, intenta que no lleve a cabo su plan, viéndose atrapado cada vez más en la maraña de la vida de Henry, y más tarde en el laberinto de su subconsciente. Al principio, sencillamente tensa y enturbia la relación de Sam con su novia Lila (Naomi Watts), pintora y su antigua paciente. Pero muy pronto, la propia comprensión firmemente arraigada de Sam del mundo racional empieza a desaparecer. Sometido a encuentros cada vez más surrealistas y a una ciudad que se transforma en un paisaje onírico tremendamente cambiante, Sam ya no puede distinguir lo que es verdadero de lo que está pasando únicamente en su cabeza, ni donde empieza él y termina Henry.