柯克船长（克里斯·派恩 Chris Pine 饰）和企业号的船员们来到了银河系中未知的一个区域，开始完成他们5年的任务——探索新世界，寻找新物种。却在途中滞留异星，遭遇了当地种族追杀，他们必须找到方法离开这个星球。

主人公道格拉斯·奎德（柯林·法瑞尔 Colin Farrell 饰）是一名普通的工厂工人，不普通在于他拥有一位漂亮的妻子（凯特·贝金赛尔 Kate Beckinsale 饰），两人看似十分恩爱。但道格拉斯内心却似乎有某种不满足，在夜晚时常怪梦连连，梦见自己身处火星，而在工作中也总是恍惚走神。在朋友的劝说下，他决定自己该度个假，于是来到了Rekall公司，希望植入火星间谍的记忆以满足自己的大脑对于冒险的渴望。可是就在植入记忆的过程中，意想不到的事情发生了。奎德突然成了“政府”追杀的逃犯，而他发现自己竟然有着过人的身手。逃离Rekall之后，奎德遇到了一名叛军的女战士（杰西卡·贝尔 Jessica Biel 饰），两人并肩作战但彼此却并不信任。就连奎德深爱的妻子Lori，现在也变成了追杀他的超级女特工。究竟什么是真实，什么是虚幻，哪些是梦境，哪些才是真实发生过的记忆，这一切让奎德根本无法分辨，他必须寻找到自己真实的身份、爱人和命运。

他一直觉得自己就是一个普通的工人，虽然日子过得有点沮丧，倒也算是平凡中带点真实。直到有一天，他发现自己的过去并不若他想象的那么简单，他的记忆中显然隐藏着一些什么。

工程师大卫·金（约翰·赵 饰）一直引以为傲的16岁乖女玛戈特突然失踪。前来调查此案的警探怀疑女儿离家出走。不满这一结论的父亲为了寻找真相，独自展开调查。他打开了女儿的笔记本电脑，用社交软件开始寻找破案线索。大卫必须在女儿消失之前，沿着她在虚拟世界的足迹找到她…

影片讲述了小女孩菲菲的奔月故事。菲菲从小听着妈妈讲述的嫦娥与后羿的爱情故事长大，她坚信嫦娥是真爱永恒的化身。妈妈去世几年之后，爸爸准备再婚，菲菲深受打击。为了捍卫自己的家庭，为了向爸爸证明，嫦娥还在月球上永志不渝地等待后羿，她所代表的永恒真爱是真实存在的，菲菲自己动手制作了一艘“火箭飞船“，开启一段奇妙的奔月之旅。