17 年前
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二战沦陷后的法国，露薏丝（索菲·马索饰）的丈夫因为参加抵抗组织而被暗杀，受到牵连的她只好逃往伦敦，加入了代号SOE的神秘组织，由丘吉尔亲自设立和操控的特别行动局（SOE），实际上是一个搜集情报和从事破坏任务的情报机构。1944年4月，露薏丝接受了特别行动局指派的一项艰巨任务，不惜一切代价重返法国，营救一位被俘的英国间谍。原来在距盟军在诺曼底登陆还有几个月时，一名英国地质学家被派往英法海峡执行勘察任务，却不幸落入敌人手中，因为他手中掌握着德军布置在诺曼底的防御工事图，英国情报单位正想方设法营救他。露薏丝为执行她的首个任务，招募了几名年轻女子组成了一个行动小组，其中的让娜（茱丽·德帕迪厄饰）原为妓女，她因杀死她的杈杆儿而被判死刑。苏姬是一个轻浮的舞女，她与德国纳粹党卫军黑衫队的一名军官订了婚。嘉艾尔（黛伯拉·弗朗索瓦饰）是一名笃信天主教的布列塔尼女人，也是一名非常出色的化学专家。她们于夜里空降到关押英国地质学家的德军基地附近，以露薏丝为首的五人小组很快混入了德军医院开始营救行动，而基地的德国陆军上校亨催施也注意到了五位活跃的美女。。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……。
