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 тотем — металлический волчок. 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 Котияр) проинформировала Сайто об их целях и тот отредактировал имевшиеся данные. Сон начинает разрушаться из-за «выброса» сновидца Артура, которого убил Кобб, чтобы Артур проснулся. Кобб с Артуром просыпаются в секретном убежище Сайто. Он осознаёт, что до сих пор спит, когда обнаруживает, что ковёр сделан из другого материала. Это была ошибка «архитектора» Нэша (Лукас Хаас), который впоследствии попытается предать команду, рассказав всё Сайто. Команда прерывает миссию и просыпается в поезде, который спешно покидает, оставляя в нём спящего 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 делал эту операцию.
Нуждаясь в новом «архитекторе», Кобб посещает в Париже своего тестя и наставника Майлса (Майкл Кейн), который представляет ему одну их своих лучших студенток — Ариадну (Эллен Пейдж). Она должна заменить Нэша (Лукас Хаас), провалившего операцию и сдавшего команду Сайто. 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 во сне 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. В результате они умирают состарившиеся, взявшись за руки, просыпаются во сне во сне, и позже ложатся на рельсы, чтобы попасть под поезд и вернуться в реальность. 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 балкона. Оставленные Мол бумаги позволили властям обвинить его в убийстве, что не позволяло Коббу вернуться в 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 использование нескольких уровней сна, соответствующим более глубоким уровням подсознания Фишера. Когда умирает Морис, команда оказывается на одном с Робертом 10-часовом перелётном рейсе из Сиднея в Лос-Анджелес.
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 фургон, чтобы сбежать от охранников Роберта.
Они входят во второй сон (Артура) — гостиницу, созданную, как и все другие уровни сна, Ариадной. Юсуф остается в первом сне, управляя машиной. 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 остается 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 счет взрывчатки, тем самым создавая силу тяжести за счёт ускорения лифта). Третий выброс происходит во сне из-за активации детонаторов вокруг крепости.
Роберта возвращает 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. Он 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 найти 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.
Чтобы спасти Сайто, Кобб остается в лимбе. 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 поднимает 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). Волчок продолжает вращаться, но остановится ли он или нет, в фильме не показано.