Valentinstag. Joel wacht auf und macht sich auf den Weg zur Arbeit, entscheidet dann aber spontan, einen anderen Zug zu nehmen und an den Strand von Montauk zu fahren. Was ihn gerade dort hinzieht? Man soll es später erfahren. Er trifft dort Clementine, die beiden kommen sich schnell näher. Wenig später ein krasser Schnitt - eben noch ist alles in Ordnung, und auf einmal sieht der Zuschauer einen bitterlich weinenden Joel in seinem Auto sitzen. Häää? Denkt der, der den Film zum ersten Mal sieht und vielleicht zudem nichts oder wenig über die Story weiß.

Hier beginnt die eigentliche Geschichte - die Liebesgeschichte von Joel (großartig: Jim Carrey) und Clementine (eine wunderbare Kate Winslet), rückwärts erzählt von dem Zeitpunkt, an dem Joel seine Erinnerungen löschen lässt, bis zum Kennenlernen. Die Beziehung zwischen dem eher spießigen, langweiligen Joel und der flippigen, abgedrehten Clementine ist gescheitert. Joel erfährt durch Zufall, dass Clementine ihn hat aus ihrem Gedächtnis löschen lassen. Verzweifelt sucht er denselben Arzt auf, um seinerseits die Erinnerungen an sie loszuwerden. Als in der darauffolgenden Nacht die Prozedur vorgenommen wird (als Chaoten-Techniker und ziemlicher Freak hier u.a. Elijah Wood am Werk) und Joel die Zeit mit Clementine nochmal durchlebt, wird ihm klar, dass er das eigentlich gar nicht will. Allerdings ist es zu spät, den Vorgang abzubrechen... Brilliant, wie er daraufhin versucht, Clementine in seinen Kindheitserinnerungen zu verstecken, um zu verhindern, dass sie gelöscht wird!