2084年，火星已是维洛斯·科海根独裁统治的殖民地，他控制的矿藏开采利润非常丰厚。建筑工道格拉斯·魁德反复梦见火星经历和神秘女子，他找上瑞可公司圓自己的火星夢，儘管同事哈里等朋友都不以為然。该公司专为客户植入非常逼真的假记忆。魁德选中化身火星秘密特工的记忆之旅，但尚未植入记忆他就突然失控，深信自己就是被科海根洗掉记忆的火星特工。工作人员怕惹麻烦，再度麻醉魁德後叫計程車將他送回家，並马上销毁魁德来过的证据。

魁德莫名所以的回家，路遇哈里，卻被他帶一票人挾持。哈里魁德稱赴瑞可公司植入记忆才引來殺機，魁德憑-{本能}-反击杀死哈里等人。到家后他又遭夫人罗莉袭击，魁德制服她后得知对方是科海根所派，负责就近监视，两人的婚姻不过是移植的虚假记忆。科海根的爪牙瑞克特带人杀来，原来后者是罗莉真正的丈夫。魁德逃脱多名持枪男子追杀。自称昔日好友的男子交给魁德装有金錢、工具、护照等物品的手提箱後要魁德別再聯絡，因為他不想惹上麻煩。手提箱的影片中，长相与魁德一模一样的男子自称豪瑟，本是科海根的盟友，受爱情所感决定弃暗投明对抗科海根。录像内容稱科海根先发制人将豪瑟洗脑并送到地球监视起来，让男主角自以为是魁德。豪瑟希望魁德回火星制止科海根。

魁德抵达火星并摆脱瑞克特等人追捕，根据豪瑟留下的线索来到维纳斯城，此處居民全因空气污染和辐射而变异（當中擁三個乳房的妓女向魁德勾搭的一幕已成為經典[1]）。他遇到梦中女子梅琳娜，后者叫他豪瑟，认为他还在科海根手下做事。魁德回酒店后遇到罗莉和瑞可公司的艾吉马大夫，声称魁德困在幻想里无法自拔，躯体此时还在瑞可公司记忆移植室，若不脫離這一切幻象將會引起記憶混亂，時而是獨裁者摯友，時而成為革命志士。半信半疑的魁德識破自稱只是幻影的埃格玛居然會流汗而开枪杀了他，随即被罗莉和瑞克特的手下制服，但梅琳娜突然出现，魁德杀死罗莉后与她搭乘变异人班尼的計程車一起赶回维纳斯城。

变异人把两人送入叛军隐蔽基地，见到叛军领袖“寡头”，原來他是生長在乔治腹部的变异人。寡头解放了魁德大脑深处遭压制的记忆，得知科海根控制的矿山内存在50万年前外星人所建反应堆，启动就会摧毁所有矿物并产生可呼吸的空气，进而彻底终结科海根对两种资源的垄断。此時班尼突然射殺乔治，原来他也是科海根的爪牙。科海根的部隊隨即突袭杀害所有叛军，寡头拼著最後一口氣恳求魁德启动反应堆，随即遭瑞克特处死。科海根封锁维纳斯城并切断空气供应，准备令所有居民窒息而死。

科海根把魁德和梅琳娜带到办公室，原來一切都是他和好友豪瑟精心设计的计谋。豪瑟是自愿更改记忆“变成”魁德来避开变异人的心理探测能力，进而打入叛军内部将其摧毁。魁德前往瑞可导致记忆提前觉醒，科海根设法令他逃脱瑞克特追杀。科海根下令恢复豪瑟的记忆，并把梅琳娜洗脑成豪瑟的女奴。魁德与梅琳娜竭力反抗逃脱，前往反应堆下方矿井，班尼、瑞克特等人一路追杀均被反杀。

科海根等在反应堆控制室，向赶来的魁德宣称启动反应堆将摧毁火星。魁德把科海根启动的炸弹扔进隧道，爆炸导致隧道破裂引起失控減壓，强烈的吸力将科海根抛到火星表面窒息而死，魁德启动反应堆后与梅琳娜像科海根一样落在火星表面。反应堆融化火星的冰芯，气体如火山喷发般释放并形成大气层，魁德、梅琳娜乃至火星上的其他人倖免于难，大氣令天空变成蓝色。电影最后，魁德突然担心一切只是梦境，梅琳娜随即与他拥吻。