ดอม คอบบ์ (ลีโอนาร์โด ดีคาปริโอ) คือชายผู้ก่อตั้งทีมจารกรรมความคิด เขาและทีมงานจะเจาะเข้าไปในจิตใจของเป้าหมายผ่านทางการแชร์ความฝัน เพื่อดึงเอาข้อมูลลับที่เป้าหมายเก็บงำไว้ในจิตใต้สำนึกออกมาตามคำสั่งของผู้ว่าจ้าง ซึ่งโดยมากแล้วจะเป็นการล้วงความลับทางธุรกิจ เป้าหมายรายล่าสุดของคอบบ์และทีมงานคือ ไซโตะ (เคน วะตะนะเบะ) นักธุรกิจชาวญี่ปุ่น คอบบ์ทำการล้วงข้อมูลของไซโตะผ่านทางความฝันซ้อนฝัน ซึ่งจบลงด้วยความล้มเหลว แต่ไซโตะกลับยื่นข้อเสนอว่าจ้างทีมของคอบบ์ให้ทำการ "อินเซพชั่น" ข้อมูลลงในจิตของเป้าหมายแทน อินเซพชั่นคือกระบวนการที่ตรงข้ามกับการล้วงข้อมูล โดยแทนที่จะล้วงลึกไปถึงข้อมูลที่เป้าหมายเก็บซ่อนไว้ กลับกลายเป็นการนำเอาข้อมูลที่ต้องการลงไปเก็บไว้ในที่ซ่อนของเป้าหมายแทน เริ่มแรกคอบบ์ปฏิเสธเนื่องจากเป็นกระบวนการที่ยากมาก แต่ไซโตะก็ข้อตอบแทนเป็นการล้มล้างความผิดที่คอบบ์เคยฆาตกรรมภรรยาตนเองในอดีต และจะได้สิทธิ์กลับเข้าสู่สหรัฐอเมริกา คอบบ์จึงตกลงและเริ่มต้นวางแผนการทำงานทันที

ปฏิบัติการอินเซพชั่นครั้งนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อปลูกฝังความคิดให้กับโรเบิร์ต ฟิชเชอร์ (คิลเลียน เมอร์ฟี) ทายาทกิจการด้านพลังงานของมอริส ฟิชเชอร์ (พีท โพสเทิลเวท) ซึ่งกำลังจะเสียชีวิตจากโรคร้าย หากโรเบิร์ตได้ขึ้นครองกิจการต่อไปจะทำให้ธุรกิจของไซโตะต้องสั่นคลอน คอบบ์จึงวางแผนว่าจะปลูกฝังความคิดที่ว่า "พ่อของฉัน (โรเบิร์ต) ไม่ต้องการให้ฉันอาศัยรอยเท้าของเขาในแวดวงธุรกิจ" ลงไป ในปฏิบัติการนี้ต้องการทีมงานตำแหน่งต่าง ๆ เริ่มจาก อาร์เธอร์ (โจเซฟ กอร์ดอน-เลวิตต์) ในตำแหน่งคนชี้เป้า ผู้ประสานงานระหว่างสมาชิกแต่ละคน, อีมส์ (ทอม ฮาร์ดี้) ในตำแหน่งนักปลอมแปลง ผู้สามารถแปลงโฉมตัวเองเป็นใครก็ได้ในความฝัน เพื่อหลอกล่อเป้าหมายมาสู่แผนที่วางไว้, ยูซุฟ (ดิลีพ ราโอ) ในตำแหน่งนักเคมี ผู้ปรุงยาที่จะทำให้หลับลึกลงไปในระยะเวลาตามที่ต้องการ และสุดท้ายคือ แอเรียดเน่ (เอลเลน เพจ) ในตำแหน่งสถาปนิก ผู้ออกแบบเส้นทางสภาพแวดล้อมในความฝัน

ในขั้นตอนการวางแผนนี้คอบบ์ได้สอนให้แอเรียดเน่รู้จักกับโครงสร้างของความฝัน และคุณสมบัติของฝัน เช่น ผู้ฝันจะไม่ทราบจุดเริ่มต้นของฝัน แต่จะปรากฏขึ้นกลางทางในทันที หรือการปรับเปลี่ยนสภาพแวดล้อมรอบกายได้ดังใจนึก คอบบ์ยังได้สอนให้แอเรียดเน่รู้จักการใช้ "โทเทม" ซึ่งเป็นวัตถุชิ้นเล็ก ๆ ตามแต่ละบุคคลจะเลือกมา โดยต้องรู้คุณสมบัติของมันอย่างถี่ถ้วน หากไม่แน่ใจว่าฝันอยู่หรือไม่ ให้สังเกตโทเทมประจำตัว หากมีคุณสมบัติผิดแปลกไปจากที่เคยเป็น ก็หมายถึงบุคคลนั้นกำลังอยู่ในฝันของคนอื่น

ระหว่างนี้เองแอเรียดเน่ได้ค้นพบความลับในอดีตของคอบบ์ ว่าเขาเคยกระทำการอินเซพชั่นมาก่อน โดยกระทำกับมอล (มารียง กอตียาร์) ภรรยาของเขา เป็นเหตุให้มอลฆ่าตัวตาย แต่ด้วยเหตุผลบางประการ กลับกลายเป็นว่าคอบบ์ถูกตั้งข้อหาฆาตกรรมภรรยาตนเอง และต้องหลบหนีออกนอกประเทศ ไม่ได้เจอหน้าลูก ๆ ทั้งสองอีกต่อไป ความรู้สึกผิดที่คอบบ์มีต่อมอล ทำให้จิตใต้สำนึกของเขาสร้างตัวตนของมอลขึ้นมาทุกครั้งที่เขาหวนระลึกถึงเธอในความฝัน ในจิตใต้สำนึกนี้ มอลจะคอยขัดขวางทุกการกระทำของคอบบ์

เมื่อวางแผนเสร็จสิ้น ไซโตะขอร่วมทางไปด้วยในฐานะนักท่องเที่ยว เพื่อรับชมปฏิบัติการนี้ด้วยตนเอง เขาใช้อำนาจเงินตราของตนเหมาซื้อเที่ยวบินที่ฟิชเชอร์มีแผนจะใช้เดินทางมาให้กับคอบบ์ เพื่อลงมือปฏิบัติการระหว่างเที่ยวบิน คอบบ์จึงตกลงให้ไซโตะเข้าร่วมเป็นสมาชิกคนที่หก

ปฏิบัติการเริ่มต้นเมื่อทุกคนอยู่ในเที่ยวบิน คอบบ์วางยาฟิชเชอร์ให้หลับไป และเข้าร่วมฝันชั้นแรกซึ่งเป็นฝันของยูซุฟ นักเคมี ฝันชั้นนี้มีฝนตกตลอดเวลา ทำให้ฟิชเชอร์ต้องเรียกรถแท็กซี่ และจะถูกทีมของคอบบ์ลักพาตัวไปเรียกค่าไถ่ โดยอีมส์ (นักปลอมแปลง) จะแปลงโฉมเป็นปีเตอร์ บราวนิ่ง (ทอม เบเรนเจอร์) ลุงของฟิชเชอร์ ซึ่งจะถูกจับตัวมาพร้อมกัน และจะเป็นคนบอกให้ฟิชเชอร์ตระหนักถึงความต้องการจริง ๆ ของฟิชเชอร์ผู้พ่อ ซึ่งซ่อนอยู่ในตู้เซฟ และฟิชเชอร์คนลูกจะต้องนึกรหัสตู้เซฟให้ออกให้ได้

แต่ปรากฏว่าฟิชเชอร์เคยรับการฝึกป้องกันจิตใจตนเองจากการจารกรรม ซึ่งจะทำให้จิตใต้สำนึกสร้างทหารขึ้นมาจู่โจมผู้ที่บุกเข้ามาในจิตใจของเขา ระหว่างการปะทะกันนี้เอง ไซโตะถูกยิงเข้าที่หน้าอกและกำลังจะตาย ปกติแล้วผู้ที่ตายในความฝันจะตื่นขึ้นทันที แต่หากอยู่ในสภาพหลับลึก (เช่นทีมงานของคอบบ์ที่ใช้สารเคมีช่วย) ก็จะตกไปสู่ "ลิมโบ" เศษซากความฝันที่อยู่ลึกที่สุด และจะไม่ตื่นขึ้นอีกหลายปีในฝัน (ซึ่งเวลาของฝันชั้นที่อยู่ลึกลงไปจะทวีคูณขึ้นจากฝันชั้นก่อนหน้า) ผลคือแม้เวลาในโลกจริง ๆ จะผ่านไปแค่ห้านาที แต่กับผู้ที่อยู่ในลิมโบ มันคือช่วงเวลาหลายสิบปี เมื่อตื่นขึ้นมาก็จะจำอะไรไม่ได้อีกต่อไป

เมื่อฟิชเชอร์นึกเลขรหัสไม่ออก ทีมงานจึงให้ฟิชเชอร์หลับเข้าสู่ฝันชั้นที่ลึกเข้าไปอีก ซึ่งจะนำพาจิตของเขาเข้าใกล้จิตใต้สำนึกมากขึ้น ในฝันชั้นที่สองนี้เป็นฝันในโรงแรมของอาร์เธอร์ (คนชี้เป้า) ซึ่งเวลาจะเดินไปช้ากว่าฝันชั้นก่อนหน้า บาดแผลของไซโตะจะทรุดลงช้ากว่า ในฝันชั้นนี้ ทีมงานจะหลอกให้ฟิชเชอร์คิดว่าปีเตอร์วางแผนจับตัวเรียกค่าไถ่เอง เพื่อจะยึดอาณาจักรธุรกิจพันล้านมาจากฟิชเชอร์ แต่ปีเตอร์ปฏิเสธว่าจริง ๆ แล้วเขาอยากให้ฟิชเชอร์คิดให้ออกว่าแท้จริงแล้ว พ่อเขาฟิชเชอร์ต้องการอะไรแน่จากประโยคสุดท้ายก่อนตายที่บอกว่า "ฉันผิดหวังในตัวแก (โรเบิร์ต) จริงๆ" วิธีจะคิดให้ออกก็คือต้องลงไปในฝันชั้นลึกกว่านี้อีก ทีมงานหลอกฟิชเชอร์ว่าฝันชั้นต่อไปเป็นของปีเตอร์ แล้วทำให้ฟิชเชอร์หลับไปก่อน แต่ความจริงแล้วฝันชั้นที่สามเป็นของเขาเอง

ในฝันชั้นที่สาม เป็นโลกหิมะของอีมส์ ในฝันชั้นนี้ ทหารป้องกันจิตของฟิชเชอร์จะร้ายกาจขึ้น โดยออกมาไล่ตามทีมงานของคอบบ์ตั้งแต่เริ่ม สมาชิกทุกคนบุกทะลวงเข้าไปในฐานทัพกลางหิมะ ที่ซึ่งตู้เซฟเก็บความลับของฟิชเชอร์ตั้งอยู่ เมื่อฟิชเชอร์บุกเข้าไปได้แล้ว จิตสำนึกของมอลได้ปรากฏตัวขึ้นและสังหารฟิชเชอร์ ทำให้เขาตกลงไปอยู่ระหว่างชั้นลิมโบ หากไม่ช่วยเหลือออกมาจะต้องติดอยู่ในนั้นตลอดไป ระหว่างนี้เองบาดแผลของไซโตะก็ลามเข้ามาถึงฝันชั้นนี้ ทำให้ไซโตะเสียชีวิตไปอยู่ที่ลิมโบแล้ว คอบบ์และแอเรียดเน่จึงตัดสินใจลงไปตามตัวฟิชเชอร์ในฝันชั้นลึกขึ้นไปอีกของคอบบ์ และได้ทราบอดีตที่แท้จริงของคอบบ์ ว่าเขาแอบเข้าไปหมุนโทเทมของมอล ได้แก่ลูกข่างอันเล็ก ๆ ให้หมุนไปเรื่อย ๆ โดยไม่ล้ม ทำให้มอลตระหนักว่าตนฝันอยู่ เป็นการอินเซพชั่นให้คิดว่าโลกที่อยู่นั้นจริง ๆ เป็นความฝัน เมื่อมอลตื่นขึ้น ความคิดที่ว่าโลกที่อยู่ไม่ใช่โลกจริงทำให้มอลฆ่าตัวตายและป้ายความผิดให้คอบบ์ เพื่อให้คอบบ์ตายตามไปด้วยกัน

คอบบ์พบตัวฟิชเชอร์ และบอกให้แอเรียดเน่พากลับออกมา โดยการ "ปลุก" นั่นคือตกจากที่สูงเพื่อให้ตื่นขึ้น โดยเขาจะอยู่กับมอลเพื่อให้ความรู้สึกผิดที่ผ่านมาหายไป และเพื่อเข้าไปลิมโบเพื่อตามหาตัวไซโตะ แอเรียดเน่พาฟิชเชอร์กลับออกมาได้ และพาเข้าไปในตู้เซฟเพื่อตระหนักว่า พ่อของฟิชเชอร์รักเขามาตลอด และไม่ต้องการให้เขาใช้รอยเท้าของพ่อในการดำเนินธุรกิจอีกต่อไป ปฏิบัติการอินเซพชั่นประสบความสำเร็จ ทีมงานทำการ "ปลุก" ต่อเนื่องในฝันแต่ละชั้น และตื่นขึ้นมาในที่สุด ทิ้งคอบบ์ให้ตามหาไซโตะในความฝันชั้นลิมโบต่อไป

เวลาในฝันผ่านไปหลายสิบปี ไซโตะกลายเป็นคนแก่ผู้หลงลืมทุกสิ่ง จนกระทั่งคอบบ์ตามหาตัวจนเจอ และพากลับออกมาได้ ทุกคนตื่นขึ้นบนเครื่องบินอย่างปลอดภัย ฟิชเชอร์ประกาศลงจากธุรกิจพันล้านของตัวเอง และคอบบ์ก็ได้กลับบ้านที่สหรัฐอเมริกาอีกครั้ง เมื่อกลับถึงบ้าน เขาลองหมุนลูกข่างโทเทมของตนดูเพื่อทดสอบว่าเป็นโลกฝันหรือโลกจริง แต่ก็ผละไปหาลูก ๆ ของตนเองโดยไม่สนใจว่ามันจะหยุดหมุนหรือไม่