近未来，小说家江丰（黄渤 饰）与妻子张代晨（徐静蕾 饰）从相知相爱到相互伤害，原本幸福美满的婚姻终于走到尽头。伤心欲绝的江丰走进记忆中心，希望通过高科技手段将这段感情记忆从脑海中抹除。谁知意想不到的是，当他被妻子要求取回记忆时，手术之后江丰的脑中出现了一段陌生的记忆，而这段记忆似乎牵扯到了一桩杀人案。在此之后，拥有多年办案经验的资深警官沈汉强（段奕宏 饰）介入调查，他试图引导江丰“回忆”起更多失落的记忆，寻找凶杀案的蛛丝马迹。 黑暗的记忆一层层被揭开，与此同时，被揭开的还有隐藏在最深处的丑恶的人性秘密……
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