23 年前
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徐来（徐峥 饰）大学时代的理想是能够成为一名出色的油画家，他的坚持和不屈吸引了美丽女孩杨伊（杜鹃 饰）的注意，随着时间的推移，他们相爱了。然而，徐来的这段初恋却最终被残酷的现实所粉碎，之后，他同一直守候在自己身边的内衣公司老板千金蔡波（赵薇 饰）走到了一起。
毕业后，徐来和蔡波结婚，成了蔡家的“上门女婿”，他放弃了理想，开始经营内衣公司，尽管事业蒸蒸日上，但徐来的心中始终留存着一抹遗憾。某日，徐来意外得知如今已经成为画家的杨伊将在香港举行她的个展，心中五味杂陈的他带着一家老小前往香港，名为旅游，实则是相同杨伊“再续前缘”。然而，徐来的计划却屡屡遭到小舅子蔡拉拉（包贝尔 饰）的破坏，蔡拉拉正在拍摄一部家庭纪录片，在他的镜头背后，徐来发现了一个陌生的自己。。安东尼•齐默是洗黑钱高手，但他手法高超，警方想方设法也无法将其抓获。而另外一个似乎毫不相关的浪漫故事在法国南部上演。弗朗索瓦(伊万•阿达勒Yvan Attal 饰)刚刚与女友分手，坐在开往蓝色海岸的火车上，旅游散心。怎料一段艳遇完美上演——风情万种的吉雅拉（苏菲•玛索 Sophie Marceau 饰）上前搭讪，邀他共度周末。
短暂的浪漫过后，吉雅拉无故失踪。弗朗索瓦千里寻芳踪，在辗转反复的寻找过程中，他发现了吉雅拉不可告人的秘密。可是，更大的秘密，恐怕是安东尼和弗朗索瓦自己的故事……。内向沉稳的约尔•巴瑞斯在一次聚会中认识了率真随性的克莱门汀•克罗斯基，二人成为情侣。和普通的情侣一样，他们的日子也在甜蜜和争吵中度过。
2004年情人节前夕，当约尔精心准备好礼物，为不久前一次争吵找到克莱门汀道歉时，他惊讶地发现，克莱门汀根本都不记得他了。原来冲动的克莱门汀受不了二人交往中争吵的痛苦，到“忘情诊所”，把关于约尔的记忆删除得一干二净。
约尔无法原谅克莱门汀的任性，也无法忍受失去她的痛苦，所以他也到了“忘情诊所”，请求医生霍华德博士消除关于克莱门汀的记忆。
记忆清除程序开始启动，约尔在自己的记忆中游走，他发现和克莱斯汀一起度过的那些时光，无论是痛苦还是甜蜜，都弥足珍贵，他并不想忘记这个自己深爱的女人。但是，程序一旦启动就无法逆转，约尔只能想尽办法把克莱斯汀藏到记忆最深的地方，那些现实中克莱斯汀本来没有出现过的时间角落，以保存这份爱情……。
