Sigmund是一家提供记忆修改服务的公司，这次他们接到John的请求。两年前，John的妻子River病逝，自此之后John便执念于去月球。如今他大限将至，Sigmund便派出Dr. Neil Watts和Dr. Eva Rosalene上门修改John的记忆，实现他的愿望。
John住在海边的悬崖上，那里有很多小动物。Watts和Rosalene开车前往，一不小心轧死了一只松鼠。开工不顺，二人悻悻地来到John的房子。管家Lily将两人领进屋，这是一间很大的房子，从窗户便能看到悬崖边的灯塔，甚至能听到更远处的海浪声。Lily的丈夫在部队牺牲后，John便邀请她和两个孩子住了进来，Lily也在John生病后主动照顾起了他。两位博士来到John床前，医生告诉他们John的时间已经不多，Dr. Watts随即开始部署设备。在此期间，Dr. Rosalene在Lily两个孩子的引导下打开了John封禁的房间，发现里面摆满了纸折的兔子。带着这个疑问，Rosalene和Watts进入John的记忆。
虽说能修改记忆，但要实现愿望并不能直接植入一段去过月球的“错觉”，也不能手动修改John的全部记忆，只能在某些关键的时间点植入和月球相关的片段，引导记忆中的John成为宇航员，触发其记忆自动连锁修改。为了找到合适的植入点，二人首先来到John最近的记忆。记忆中，白发苍苍的John在灯塔下静静地坐着。Rosalene和Watts解除隐身，上前解释自己的到来。他俩在记忆中可隐身，可修改人事物，但在记忆片段间跳跃需要记忆碎片。John掏出一只黄色肚皮的蓝色纸兔作为下一片段的索引，两人借由这只兔子来到更早的片段。此时River刚过世一段时间，John悲愤地弹着琴，房子内摆满了纸兔子。
两位博士通过房子内的一把伞来到River刚过世的时候。John在雨中撑着这把伞，注视着灯塔下妻子的墓。二人又通过墓边的鸭嘴兽玩偶来到River还在世的时候。此时的John还是一头灰发，River躺在床上拿着那只蓝黄兔子问他看到了什么。在John眼中，那仿佛只是一个普通的兔子折纸，他转而为River弹起自己新谱的曲子‘For River’。更早之前，房子还没建好，River的朋友Isabelle来探望John，并带了他最爱的腌橄榄。Isabelle提起River的病，John表示即使放弃这栋房子也要给River看病。
John打算建这栋房子时正值壮年，一天River突然将自己的长发剪了，然后开始疯狂地折兔子，并问John这些兔子在他眼中是什么。同样茫然的两个博士借由熟悉的鸭嘴兽玩偶来到更早的记忆。John刚向River坦白了自己接近她的原因，River表面上很平静，但让John将自己的手提包丢向大海。二人继续往前跳跃来到一家书店，John和Isabelle聊起River的病。Isabelle和River都患有自闭症，存在沟通障碍，只是Isabelle干预的早，这时已是一个演员。River正在翻阅《国王的新衣》，这本儿童图书让John想起自己小时候常看的《变形战士》，两位博士也通过这本书来到他俩婚礼那天。
那时John和River还年轻，John的母亲Martha将这本书作为新婚礼物送于他俩。Martha管John叫Joey，John向一旁的高中同学Nick解释这是他祖父的名字。John和River为灯塔取名Anya，他俩在Anya下完成宣誓，这也许解释了两人和灯塔的牵绊。再向前是他俩骑马的记忆，因为医生告诉John骑马有利于River的病。在John的记忆中，他和River貌似最早在高中相识。John受Nick怂恿约River看电影，他觉得这个女孩很酷，但Nick觉得River只是装出来的。
两位博士来到John小时候，这里出现了记忆断层。二人没在意，以为已经掌握了必要的信息，便开始引导记忆中的John成为宇航员，但无论两人怎么努力，结局都未有丝毫变化。就在两人陷入瓶颈之际，Dr. Watts翻出了John童年时的病例，上面显示John曾在小时候服用过影响记忆的药物。联想到记忆断层间隐约出现了车祸的气味，二人利用路上轧死松鼠的气味唤起了John那段丢失的记忆。John曾有一个叫Joey的孪生兄弟，喜欢腌橄榄和《变形战士》都是Joey。一天Joey在踢球时没注意到母亲在倒车，结果发生了车祸。这件事给John和妈妈留下了深深的阴影，John通过药物忘掉了这段记忆以修复创伤，妈妈则在巨大的心理压力下把John当成了Joey。
被忘掉的不止对Joey的记忆。Joey去世前的圣诞节，John在灯塔下遇到了River。两人都不喜欢热闹的人群。River说星星间距离遥远听不到声音，于是化作灯塔遥遥相望。John指着星星说，星星在深蓝的夜空中点缀出兔子的轮廓，皎洁的月亮则是它圆圆的肚皮。John将鸭嘴兽玩偶还有手提包送给River，并相约明年再见。River问他若是忘了怎么办，John回答那就相聚在月球。
所有谜团解开，River站在漩涡中央。Dr. Rosalene修改了Joey因车祸去世的记忆，并使John和River在高中错过相遇，John终于决心成为宇航员。后来，Joey成为作家将傻瓜弟弟立志成为宇航员的故事写成了一本叫作To the Moon的书。John和River共同进入NASA，'For River'也变成了'To the Moon'。不变的是John会再次爱上River，两人将再次成为夫妻共度一生。伴随着飞船升空，John的心率逐渐平缓，此刻的他不再孤独，River牵起他的手，两人即将在月球相聚。
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