Доминик Кобб (Леонардо Ди Каприо) просыпается на пляже, где его обнаруживают вооружённые люди и приводят к хозяину — старику-японцу. Охрана показывает старику вещи Кобба: пистолет и миниатюрный металлический волчок — тотем Кобба. Старик начинает вращать его.
В следующей сцене Кобб в присутствии своего напарника Артура (Джозеф Гордон-Левитт) предлагает бизнесмену Сайто (Кэн Ватанабэ) свои услуги по защите от извлечения. На самом деле, цель Кобба и Артура — секретная информация Сайто, которую им удаётся извлечь, но неожиданно обнаруживается, что жена Кобба Мол(Марион Котийяр) проинформировала Сайто об их целях, и тот отредактировал имевшиеся данные. Кобб, держа конверт с секретной информацией в руках, вынужден смотреть, как Артура пытают, стреляя ему в ногу. Ему не остаётся ничего другого, как убить Артура, чтобы тот проснулся, но из-за этого сон начинает разрушаться. Кобб с Артуром просыпаются в секретном убежище Сайто. Сайто просыпается там же; угрожая ему, напарники бросают Сайто на ковер. Тот осознаёт, что до сих пор спит, когда обнаруживает, что ковёр сделан из другого материала. Это была ошибка «архитектора» сна Нэша (Лукас Хаас), который впоследствии попытается предать команду, рассказав всё Сайто. Понимая, что ему нечего опасаться, так как он во сне, Сайто торжествует. Команда прерывает миссию и просыпается в поезде, который спешно покидает, оставляя в нём просыпающегося Сайто.
Сайто находит Кобба и Артура и объясняет им, что это извлечение было проверкой. Он просит их выполнить «внедрение» — тайно занести идею в разум человека. В обмен он гарантирует Коббу возможность вернуться в США, где его считают преступ­ником. Целью становится Роберт Фишер (Киллиан Мёрфи), сын умирающего конкурента Сайто — Мориса Фишера (Пит Постлетуэйт), которого надо заставить разрушить деловую империю своего отца, так как на их пути остался только Сайто. Артур утверждает, что внедрение невозможно. Кобб не соглашается, говоря о том, что однажды проделывал такую операцию.

Квартал Парижа, в котором снималась сцена первого совмещенного сна Ариадны с Коббом
Нуждаясь в новом «архитекторе», Кобб посещает в Париже своего тестя и наставника Майлса (Майкл Кейн), который представляет ему одну из своих лучших студенток — Ариадну (Эллен Пейдж). Ариадна должна заменить Нэша, провалившего операцию и сдавшего команду Кобол Инженеринг. Остальные участники — Имс (Том Харди), который меняет свой облик во снах, и Юсуф (Дилип Рао), фармацевт, приготавливающий снотворное для команды.
Ариадна относится к Коббу с подозрением из-за столкновения с Мол. Ей становится известно, что Кобб и Мол вместе выстроили в лимбе целый город, в котором прожили в мире и согласии целых 50 лет. Кобб, тем не менее, захотел вернуться в реальность и начал убеждать Мол, которая категорически отказывалась. Тогда он совершил «внедрение» в её разум идеи о том, что они во сне, а не в реальности. Состарившиеся Кобб и Мол ложатся на рельсы, чтобы погибнуть под колёсами поезда и вернуться в реальность. Они умирают, взявшись за руки.
Однако «внедрение» идеи подобно вирусу — постепенно оно полностью захватывает сознание человека, и Мол, находясь уже в реальности, стала сомневаться относительно её истинности. Она убедила себя, что до сих пор находится во сне, и намеревалась совершить самоубийство, чтобы «проснуться». Пытаясь вынудить мужа последовать за собой, она отправила в прокуратуру заявление о том, что именно он виновник её смерти. Несмотря на уговоры Мол, Кобб отказался, став невольным свидетелем её самоубийства, когда она выбросилась с карниза. Оставленные Мол бумаги позволили властям обвинить его в убийстве, что вынудило Кобба уехать из США, где у него осталось двое детей, воспоминания о которых неотступно преследовали его.
Имс разрабатывает план внедрения, базирующийся на сложных отношениях Фишера с отцом. Идея должна походить на собственную, не внушённую кем-то, мысль человека. План требует использования нескольких уровней сна, соответствующих более глубоким уровням подсознания Фишера. Когда умирает Морис, команда устраивает всё так, чтобы оказаться на одном с Робертом 10-часовом перелётном рейсе из Сиднея в Лос-Анджелес.
Архитектура сновидений строится на использовании лестниц Пенроуза (вариация на тему треугольника Пенроуза)
Юсуф стал сновидцем первого сна, имевшего место в дождливом городе. Похитив Роберта, команда подвергается атаке его «проекций»-охранников, в результате которой Сайто серьёзно ранен. Кобб понимает, что Роберта обучали препятствовать извлекателям. Отменить миссию из-за сильного снотворного нельзя, но если членов команды убьют, то они попадут в лимб, где невозможно различить сон и реальность и можно сойти с ума. Чтобы начать внедрение, Имс принимает облик Питера Браунинга (Том Беренджер), крёстного отца Роберта. Он говорит, что в офисе Мориса был сейф с завещанием, в котором указано его желание разделить свою компанию. Команда Кобба под видом похитителей требует назвать код к сейфу. Роберт не знает комбинацию и называет случайные шесть цифр — 528491. Команда садится в микроавтобус, чтобы сбежать от охранников Роберта.
Они входят во второй сон (Артура) — гостиницу, созданную, как и все другие уровни сна, Ариадной. Юсуф остаётся в первом сне за рулём микроавтобуса, пытаясь оторваться от преследователей. Извлекатели убеждают Роберта, что похищение в первом сне было организовано Браунингом, чтобы узнать код и уничтожить завещание. Они убеждают его погрузиться в один сон с Браунингом, чтобы выведать его истинные мотивы. Тем самым они спускаются в сознание Роберта ещё глубже. Артур остаётся в гостинице для их защиты.
Третий сон (Имса) происходит в засыпанной снегом крепости. Сайто и Роберт начинают поиск хранилища с сейфом, а Кобб и Ариадна вместе с Имсом отвлекают многочисленные «проекции» Роберта в виде охранников крепости. Сайто умирает от ран, а Мол в крепости убивает Роберта прежде, чем тот вошёл в хранилище. Кобб убивает Мол. Ариадна предлагает вернуть Роберта к жизни, войдя в лимб.
В лимбе Кобб и Ариадна попадают в город, созданный ранее Коббом и Мол. Найдя её, Кобб объясняет Ариадне, откуда знает о возможности внедрения. Мол отказалась оставить придуманный ими мир, и Кобб привил ей идею, что её жизнь была сном. Идея стала слишком сильной, и проснувшись, Мол полагала, что до сих пор спит. Это привело её к самоубийству. Поэтому проекция Мол мешает работе Кобба, являясь проявлением его вины за её смерть. Кобб осознаёт, что его жена мертва, и винит себя в её гибели.
Стратегия выхода команды зависит от применения «выброса», ощущения падения или толчка, которое разбудит человека. Чтобы вернуться в реальный мир, они должны организовать ряд ступенчатых выбросов на всех уровнях сна. Первый выброс состоится, когда машина Юсуфа упадёт с моста, но он вынужден сделать это раньше и, так как выбросы не связаны, команда не разбужена. Из-за падения фургона с моста гостиница оказывается в условиях невесомости. Артур переносит команду внутрь лифта, который оснащает взрывчаткой (лифт ускоряется в невесомости за счёт взрывчатки, тем самым создавая эффект силы тяжести за счёт ускорения лифта). Третий выброс происходит во сне из-за активации детонаторов вокруг крепости.
Роберта возвращают к жизни с помощью дефибриллятора Имс и Ариадна, скинувшая его с небоскрёба в лимбе. Он возвращается в хранилище, где находит проекцию умирающего отца — Мориса Фишера. Морис говорит, что разочарован не тем, что его сын не смог пойти по его стопам, а тем, что пытался сделать это. Сейф содержит бумажное завещание и предмет из детства Роберта, помогающие ему пережить эмоциональный катарсис. Роберт решает разделить отцовскую корпорацию, стремясь самостоятельно добиться успеха. Таким образом, операция внедрения успешно завершена.
Ариадна спрыгивает с балкона здания в лимбе, чтобы вернуться в третий сон, выброс которого синхронизирован с оставшимися снами. Подразумевается, что механизм таймера возвращает их в реальность, как только заканчивается действие снотворного. Кобб остаётся в лимбе, чтобы спасти Сайто. Повторяется первая сцена фильма, в которой Кобб попал к Сайто. Он стал стариком из-за разницы во времени между снами и прожил жизнь, не зная о том, что спит. Сайто помнит Кобба и берёт пистолет.
Далее Кобб просыпается на самолете, где всё идёт по плану. Сайто выполняет своё обещание, Кобб возвращается в Америку к своей семье. Зайдя в дом, он запускает на столе свой волчок, чтобы проверить, не спит ли он, но отвлекается на играющих в саду детей (раньше он не мог вспомнить и видеть их лица). Сын встречает его словами: «Смотри, что мы строим! Мы строим домик на скале…» Волчок продолжает вращаться, но остановится ли он, в фильме не показано.