Sigmund是一家提供記憶修改服務的公司，這次他們接到John的請求。兩年前，John的妻子River病逝，自此之後John便執念於去月球。如今他大限將至，Sigmund便派出Dr. Neil Watts和Dr. Eva Rosalene上門修改John的記憶，實現他的願望。
John住在海邊的懸崖上，那裡有很多小動物。Watts和Rosalene開車前往，一不小心軋死了一隻松鼠。開工不順，二人悻悻地來到John的房子。管家Lily將兩人領進屋，這是一間很大的房子，從窗戶便能看到懸崖邊的燈塔，甚至能聽到更遠處的海浪聲。Lily的丈夫在部隊犧牲後，John便邀請她和兩個孩子住了進來，Lily也在John生病後主動照顧起了他。兩位博士來到John床前，醫生告訴他們John的時間已經不多，Dr. Watts隨即開始部署設備。在此期間，Dr. Rosalene在Lily兩個孩子的引導下打開了John封禁的房間，發現裡面擺滿了紙折的兔子。帶著這個疑問，Rosalene和Watts進入John的記憶。
雖說能修改記憶，但要實現願望並不能直接植入一段去過月球的“錯覺”，也不能手動修改John的全部記憶，只能在某些關鍵的時間點植入和月球相關的片段，引導記憶中的John成為宇航員，觸發其記憶自動連鎖修改。為了找到合適的植入點，二人首先來到John最近的記憶。記憶中，白髮蒼蒼的John在燈塔下靜靜地坐著。Rosalene和Watts解除隱身，上前解釋自己的到來。他倆在記憶中可隱身，可修改人事物，但在記憶片段間跳躍需要記憶碎片。John掏出一隻黃色肚皮的藍色紙兔作為下一片段的索引，兩人藉由這隻兔子來到更早的片段。此時River剛過世一段時間，John悲憤地彈著琴，房子內擺滿了紙兔子。
兩位博士通過房子內的一把傘來到River剛過世的時候。John在雨中撐著這把傘，注視著燈塔下妻子的墓。二人又通過墓邊的鴨嘴獸玩偶來到River還在世的時候。此時的John還是一頭灰髮，River躺在床上拿著那隻藍黃兔子問他看到了什麼。在John眼中，那彷彿只是一個普通的兔子摺紙，他轉而為River彈起自己新譜的曲子‘For River’。更早之前，房子還沒建好，River的朋友Isabelle來探望John，並帶了他最愛的醃橄欖。Isabelle提起River的病，John表示即使放棄這棟房子也要給River看病。
John打算建這棟房子時正值壯年，一天River突然將自己的長髮剪了，然後開始瘋狂地折兔子，並問John這些兔子在他眼中是什麼。同樣茫然的兩個博士藉由熟悉的鴨嘴獸玩偶來到更早的記憶。John剛向River坦白了自己接近她的原因，River表面上很平靜，但讓John將自己的手提包丟向大海。二人繼續往前跳躍來到一家書店，John和Isabelle聊起River的病。Isabelle和River都患有自閉症，存在溝通障礙，只是Isabelle干預的早，這時已是一個演員。River正在翻閱《國王的新衣》，這本兒童圖書讓John想起自己小時候常看的《變形戰士》，兩位博士也通過這本書來到他倆婚禮那天。
那時John和River還年輕，John的母親Martha將這本書作為新婚禮物送於他倆。Martha管John叫Joey，John向一旁的高中同學Nick解釋這是他祖父的名字。John和River為燈塔取名Anya，他倆在Anya下完成宣誓，這也許解釋了兩人和燈塔的牽絆。再向前是他倆騎馬的記憶，因為醫生告訴John騎馬有利於River的病。在John的記憶中，他和River貌似最早在高中相識。John受Nick慫恿約River看電影，他覺得這個女孩很酷，但Nick覺得River只是裝出來的。
兩位博士來到John小時候，這裡出現了記憶斷層。二人沒在意，以為已經掌握了必要的信息，便開始引導記憶中的John成為宇航員，但無論兩人怎麼努力，結局都未有絲毫變化。就在兩人陷入瓶頸之際，Dr. Watts翻出了John童年時的病例，上面顯示John曾在小時候服用過影響記憶的藥物。聯想到記憶斷層間隱約出現了車禍的氣味，二人利用路上軋死松鼠的氣味喚起了John那段丟失的記憶。John曾有一個叫Joey的孿生兄弟，喜歡醃橄欖和《變形戰士》都是Joey。一天Joey在踢球時沒注意到母親在倒車，結果發生了車禍。這件事給John和媽媽留下了深深的陰影，John通過藥物忘掉了這段記憶以修復創傷，媽媽則在巨大的心理壓力下把John當成了Joey。
被忘掉的不止對Joey的記憶。Joey去世前的聖誕節，John在燈塔下遇到了River。兩人都不喜歡熱鬧的人群。River說星星間距離遙遠聽不到聲音，於是化作燈塔遙遙相望。John指著星星說，星星在深藍的夜空中點綴出兔子的輪廓，皎潔的月亮則是它圓圓的肚皮。John將鴨嘴獸玩偶還有手提包送給River，並相約明年再見。River問他若是忘了怎麼辦，John回答那就相聚在月球。
所有謎團解開，River站在漩渦中央。Dr. Rosalene修改了Joey因車禍去世的記憶，並使John和River在高中錯過相遇，John終於決心成為宇航員。後來，Joey成為作家將傻瓜弟弟立志成為宇航員的故事寫成了一本叫作To the Moon的書。John和River共同進入NASA，'For River'也變成了'To the Moon'。不變的是John會再次愛上River，兩人將再次成為夫妻共度一生。伴隨著飛船升空，John的心率逐漸平緩，此刻的他不再孤獨，River牽起他的手，兩人即將在月球相聚。
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