קוב מצליח לפרוץ לביתו של סאיטו בעולם החלום, ולגנוב מסמכים מכספת התודעה שלו. אך הוא מגלה שחלק מן המסמכים חסרים, דבר המעיד על כך שסאיטו מודע לכך שהוא נמצא בעולם החלום, וגם על כך שהוא מאומן בהגנה על מוחו מפולשים, אותם הוא מנסה להרוג כדי לאלץ אותם לעזוב את החלום. אנשיו של סאיטו לוכדים את ארתור, שנמצא בחלום יחד עם קוב, אבל קוב יורה בארתור על מנת לעורר אותו. ארתור מתעורר בבית קטן, שהוא בית נוסף של סאיטו. בבית הזה נמצא גם נאש, שתפקידו הוא ליצור את עולם החלום. בתוך החלום, מתרחשת רעידת אדמה הרסנית שגורמת למותו של סאיטו (בעולם החלום) - מה שמעיר אותו. כאשר סאיטו מתעורר הוא מנסה להרוג את ארתור ונאש, אבל נאש מצליח להעיר את קוב מעולם החלום, וביחד הם מנטרלים את סאיטו. קוב חוקר את סאיטו, אבל סאיטו מגלה שהשטיח שנמצא על רצפת ביתו הוא לא השטיח שלו, וכך מתברר שהם עדיין נמצאים בעולם החלום וכי העולם שממנו התעוררו זה עתה הוא רק רובד עמוק יותר של החלום. לאחר שהבין כי נכשל, מחסל קוב את המשימה, וצוות הגנבים מתעורר מעולם החלום וחוזר לעולם האמיתי, כשהם למעשה על רכבת מהירה ביפן.
קוב וארתור מאשימים את נאש בכך שלא הצליח ליצור חלום מוחשי מספיק, ולוודא שכל פרט בחלום נמצא במקומו הנכון. הגנבים חוששים שהאנשים ששכרו אותם כדי לחדור למוחו של סאיטו ירצו לנקום בהם על כישלונם. קוב וארתור מגיעים למלון בטוקיו, ומתכננים לברוח באמצעות מסוק. אולם הם מגלים שסאיטו חטף את נאש, וכי נאש בגד בהם וחשף בפני סאיטו את זהותם האמיתית ואת מקום המחבוא שלהם בתמורה לחייו. סאיטו פוקד על אנשיו לקחת את נאש, וכנראה גם להרוג אותו. אף על פי שהגנבים ניסו לשדוד את מוחו, סאיטו דווקא מציע להם עבודה: הוא מבקש מקוב לבצע פעולה ההפוכה מגנבת רעיון - שתילת רעיון במוחו של אדם, פעולה שנחשבת לקשה משום שהמוח מזהה שמדובר ברעיון "זר". סאיטו מבקש מקוב לשתול רעיון במוחו של רוברט פישר, בנו של מוריס פישר, המתחרה של סאיטו. זאת כדי לגרום לכך שרוברט יפרק את האימפריה העסקית של אביו, השוכב על ערש דווי, וכך תימנע המשך ההשתלטות של החברה של פישר על שוק האנרגיה העולמי, והחברה של סאיטו תוכל להתחרות בו. קוב מסכים לעשות זאת רק אם, בתמורה, סאיטו יעזור לו לחזור לביתו בארצות הברית, שם הוא מוכרז כפושע נמלט.
קוב וארתור מתחילים לארגן צוות חדש. הם מצרפים את איימס, גנב שיכול לשנות את המראה שלו בעולם החלום; את יוסוף, מדען שפיתח סמים שגורמים לנוטלים אותם להיכנס לעולם החלום; ואת אריאדנה, "יוצרת חלום" חדשה. אריאדנה מגלה שכשקוב נמצא במצב של חלום, ההשתקפות של אשתו המתה, מל, בתת-המודע שלו, רודפת אותו בחלום. קוב מגלה לאריאדנה שהוא ואשתו מל הצליחו לחדור לשכבת החלום העמוקה ביותר, הלימבו, בה הם בילו עשרות שנים (הזמן בחלום עובר יותר לאט, כך שעשרות שנים בעולם החלום הן רק כמה שעות בעולם האמיתי). בעולם הלימבו יצרו קוב ומל עולם משלהם, אך בסופו של דבר שכנע קוב את מל להתאבד ביחד על מנת להתעורר מהלימבו, וכך הם עשו. אולם מל שהתרגלה לחיים הקודמים בחלום הלימבו, החלה להאמין כי החיים האמיתיים הם בעצם חלום, והיא ביקשה מקוב להתאבד יחדיו כדי לחזור "לעולם האמיתי". אולם קוב סירב לבקשותיה. בסופו של דבר, ביום הנישואין שלהם, העמידה מל את קוב במצב בלתי אפשרי: היא הודיעה לו כי היא החליטה להתאבד (על מנת לחזור לעולם האמיתי לפי דעתה) וכי אין לו ברירה אלא להצטרף אליה שכן היא השאירה מכתב המאשים אותו ברציחתה. קוב מסרב לכך, והיא מתאבדת לבדה בנפילה מהחלון. קוב הופך לחשוד העיקרי במותה של מל, ולכן נאלץ לברוח מארצות הברית כשהוא נוטש את ילדיו, ג'יימס ופליפה, שנשארים לגדול אצל סבם.
המשימה של צוות הגנבים מסתבכת, כאשר מתגלה שמוות בעולם החלום כבר איננו הדרך לברוח מהחלום, בשל השפעת הסם החזק, אלא הוא גורם לנפילה אל שכבת הלימבו, שבה החולם נתקע ללא יכולת להתעורר, אלא רק אחרי שסם ההרדמה חדל מלהשפיע (דבר שעלול להימשך עשרות שנים בתוך שכבות חלום רבות).
לאחר מותו של מוריס פישר, מצטרף צוות הגנבים לבנו רוברט בעת שהוא טס ללוס אנג'לס כדי לקבור את אביו, כדי לנצל את זמן הטיסה הארוכה ולהרדימו בעזרת סם ההרדמה. הם מצליחים להכניס את פישר לעולם החלום שהם בנו, שנראה כמו עיר רגילה. הם מתחזים לחוטפים שרוצים לשדוד אותו. פישר לא מודע לעובדה שהוא נמצא בעולם החלום, ומאמין שהוא באמת נחטף. אז מתגלה שפישר אומן להגן על התודעה שלו, והתת-מודע שלו לובש צורה של גברים חמושים שמנסים להרוג את הגנבים ולמנוע את חטיפתו. בזמן הבריחה מתת-המודע של פישר, נורה סאיטו בחזהו. הגנבים מצליחים לחמוק מהתת-מודע ולהביא את פישר למחסן ישן, בו הם מתחילים בתרגיל העוקץ שלהם. איימס לובש את דמות אחיו של אביו של פישר, פיטר בראונינג, במטרה "לגנוב" מפישר מידע שיעזור לגנבים לשתול את הרעיון.
הגנבים נכנסים למכונית מסחרית לבנה, ובזמן הנסיעה כולם, חוץ מיוסוף, נכנסים לשכבת חלום עמוקה יותר במטרה לבצע את תרגיל "ההתחלה". הגנבים ופישר מגיעים למלון, וקוב מתחזה ל"מאבטח התודעה" של פישר ומצליח לגרום לפישר להאמין שבראונינג הוא האדם מאחורי החטיפה. קוב מגלה לפישר שהם נמצאים בתוך עולם החלום, ומשכנע אותו לחדור לתודעה של בראונינג במטרה לגלות מה החוטפים רוצים לגנוב, אבל בעצם בכך הם חודרים לשכבה עמוקה יותר של החלום, ולתודעה העמוקה של פישר. השכבה השלישית של החלום היא אזור מושלג, שבמרכזו מבצר אשר לתוכו פישר חייב לחדור כדי לגלות מה החוטפים מתכננים.
כאשר קוב שוקע עמוק בחלום, מופיעה דמותה של אשתו מל, הורגת את פישר ושולחת אותו לעולם הלימבו. קוב ואריאדנה נכנסים עמוק יותר לעולם החלום ומגיעים לעולם הלימבו שקוב ומל יצרו לפני שנים. כעת עולם הלימבו נמצא במצב של קריסה ואסון. קוב פוגש את אשתו, ואז מתברר שהוא ביצע את פעולת "ההתחלה" בעבר על אשתו: בזמן שהם היו תקועים בעולם הלימבו לפני שנים, מל סירבה להתעורר, וקוב נאלץ לשתול במוחה את הרעיון שהעולם שהיא חווה הוא בעצם עולם החלום, כדי שתתאבד יחד עימו ותחזור לעולם האמיתי - אולם הרעיון המשיך לקנן במוחה גם בעולם האמיתי, מה שבסופו של דבר הוביל להתאבדותה. מל מנסה לשכנע את קוב להישאר איתה בעולם הלימבו, אבל קוב מסרב; מל מנסה לתקוף אותו, אבל אריאדנה יורה בה והורגת את מה שנותר מההשתקפות שלה. אריאדנה מוצאת את פישר והשניים חוזרים לשכבה השלישית של החלום, בעולם החלום המושלג. שם פישר נכנס לכספת התודעה של עצמו, ופוגש את ההשתקפות של אביו. פישר מגלה שכל מה שאביו רצה הוא שפישר יהיה אדם לעצמו, שזה בעצם הרעיון שהגנבים השותלים מצליחים לשתול במוחו, וכך הם מצליחים לבצע את פעולת "ההתחלה".
הפעולה בוצעה כך שבכל שכבה נותר חבר צוות אחד, כדי להגן על אלה שנמצאים בשכבה הבאה בתת-המודע של פישר. כדי להתעורר מכל שכבה בחלום צריכים חברי הצוות לחוות פעולה שנקראת "נפילה". הגנבים נמצאים בשלוש שכבות שונות של החלום, ולכן התזמון חייב להיות מדויק, אחרת החולמים לא יצליחו לצאת מעולם החלום.
התוכניות משתבשות כאשר יוסוף נמצא במילכוד בתוך מכונית מסחרית בשכבה הראשונה, ונאלץ להתחיל בתהליך ה"נפילה" מוקדם מדי, ולכן לחולמים יש פחות זמן לבצע את התוכניות שלהם בתוך השכבות של עולם החלום. כאשר המכונית של יוסוף מתחילה להתהפך, הוא משפיע על שאר החולמים: כל רעידה קטנה או חוסר איזון יוצרים רעידת אדמה חזקה בתוך החלום, וכאשר שיווי המשקל והכבידה בעולם החלום משתבשים בשל התהפכות המכונית, נאלץ ארתור להילחם נגד התת-מודע בשכבה השנייה בזמן שבעולם החלום אין בכלל כבידה. יוסוף נאלץ לבסוף לפרוץ דרך מחסום בגשר, והמכונית נופלת מהגשר. דבר זה מתחיל בתהליך "נפילה" בשכבה הראשונה. בשל חוסר הכבידה, ארתור מתקשה לפעול לפי התוכנית ולהניח חומרי נפץ בתוך המלון כדי לגרום לו לרעוד ובכך לבצע "נפילה" בשכבה שלו, והוא נאלץ לאלתר: הוא מכניס את חבריו ואת פישר לתוך מעלית, ומניח סביבה חומרי נפץ. בשכבה השלישית, איימס וסאיטו ממלכדים את המבצר המושלג בחומרי נפץ משלהם, כדי לגרום שם ל"נפילה".
מכיוון שסאיטו נורה בחזה בשכבה הראשונה, הוא גוסס לאט יותר ככל שהוא מעמיק לתוך עולם החלום, אבל לבסוף הוא מדמם למוות בשכבה השלישית, ועובר לשלב הלימבו. אז מתרחשת הסצנה אשר פתחה את הסרט, בה קוב נסחף לחוף ונלקח לחדר קטן שבו נמצא גבר מבוגר. מתגלה שהגבר הוא בעצם סאיטו, שבגלל חוסר האיזון בין העולם האמיתי ועולם הלימבו, חי כבר עשרות שנים בתוך השכבה העמוקה ביותר, ומאמין שהעולם שסביבו הוא העולם האמיתי. קוב מצליח להזכיר לסאיטו שהוא נמצא בעולם החלום, ואחרי שכל "הנפילות" מתקיימות כהלכה, חברי הצוות מתעוררים מכל שכבות עולם החלום, ומוצאים את עצמם עדיין בטיסה ללוס אנג'לס.
סאיטו עומד במילתו, וקוב חוזר לביתו בארצות הברית ומתאחד עם ילדיו. קוב החשדן מסובב את הטוטם שלו במטרה לבדוק האם הוא נמצא במציאות, אבל בתשוקתו לגשת לילדיו הוא לא מחכה לראות אם הסביבון נופל או לא. הסרט עוקב אחר תנועתו של הטוטם, המתחיל לנטות, ומסתיים באופן פתאומי ללא הכרעה בשאלה האם זהו חלום או מציאות.
המחלוקות לגבי סיום הסרט.