冒頭、海岸で目覚めるドム・コブは、年老いたサイトーと食事をする。その同じ部屋で今のサイトーとドム・コブは仲間のアーサーと食事をしながら、アイディアの寄生に関して話す。コブはそこで、亡き妻モル・コブと出会う。ドムはアーサーと共に金庫から秘密が書かれた封書を盗み出すが、サイトーとモルに阻まれ、仕方なくコブはアーサーを射殺して、その巨大な日本的な屋敷を崩壊させる。これは実はアーサーの夢の中に入り込んでいたのであった。暴動が迫る古いアパートでアーサーは目覚め、サイトーも目覚め、コブは浴槽にキックされて目覚め、コボル社に機密を教えるためにサイトーを銃で脅すのだが、サイトーにそこもまた夢であることがバレて失敗。これはナッシュの夢の中であり、日本の新幹線で4人は寝ているのであった。「エクストラクト」という夢の中に入って情報を抜く産業スパイとしての仕事に失敗したコブは京都で下車、アーサーとナッシュもサイトーと日本人協力者を残して去る。子供たちと電話で話すコブのホテルの部屋にアーサーが来て、一緒にヘリコプターで逃げようとするが、そのヘリコプターに乗っていたのは、サイトーであった。ナッシュを捕まえて口を割らせたのである。サイトーに促されてヘリコプターに乗せられたコブとアーサーに、サイトーは逆に、「インセプション」が可能かを尋ねる。「インセプション」とは、相手の無意識にアイディアを植え付けることであった。アーサーは不可能だと答えるが、ドムは否定しないで、ヘリコプターを下りる。その際に、サイトーから、病気である競争相手モーリス・フィッシャーが経営するエネルギー複合企業を破滅させるため、モーリスの息子にして後継者であるロバート・フィッシャーに父親の会社を解体させるのを納得させるアイディアを植え付けるインセプションを依頼する。サイトーは、見返りとしてドム・コブの犯罪容疑を取り消して、アメリカへ再入国してとドム・コブが娘と息子が待つ家に戻れるよう、影響力を行使することを匂わせる。パリへの機内で、心配するアーサーにドム・コブはかつて、インセプションをしたことがあると伝える。ドム・コブはパリの大学へ行き、恩師であり亡き妻モル・コブの父でもあるマイルス教授から優秀な設計師としてアリアドネを紹介される。アリアドネに夢に入る世界を教え、設計を頼むが、ドム・コブの夢の中で強烈な潜在意識であるモルの存在を恐れて、断る。ドム・コブは、ケニアのモンバサのカジノに行き、口達者な「偽造師」イームスと会って、協力を要請、コブは尾行から逃げてる時に何とサイトーに救われる。夢の設計という挑戦に取り付かれたアリアドネは、戻ってアーサーから指導を受ける。ドム・コブはサイトーと共にイームスから、夢を安定させる強力な鎮静薬を調合する「調合師」ユスフと会い、実際に体験するが、コブはやはり潜在意識のモルの存在に悩まされる。フィッシャーが治療を受けるシドニーにて、機会を待つドム・コブ、サイトー、アーサー、アリアドネ、イームス、ユスフの6人。夢と現実を見分けるトーテムと呼ばれる小道具を作っているアリアドネは、ドム・コブと話した時にコブには妻殺しの容疑を掛けられていることを知る。ロバート・フィッシャーにインセプションする作戦会議では、夢の第1階層では父との関係を提起、第2階層で自分で何か作りたい、第3階層で自分の道を進め、と植え付けることにする。毎晩ドム・コブが鎮痛薬を受けて夢の中に入っているのを気にしていたアリアドネはドム・コブの夢の中に潜入し、そこで亡き妻のモル・コブを閉じ込めていたことを知る。彼女はドム・コブを心配し、自らも作戦に参加することにする。いよいよモーリス・フィッシャーが亡くなり、作戦の準備の為サイトーは航空会社を買収しており、ロバートが乗るシドニー発ロサンジェルス行きの飛行機に乗り込んでロバートに鎮痛薬を飲ませて眠らせ、5人と共にユスフの夢に参加させる。第1階層は雨のロサンジェルス。タクシーを奪い、タクシーに乗り込んできたロバートを拉致するのだが。その時に突然、機関車に襲われ、武装集団に狙われる。ロバートは既に潜在意識に自衛手段を掛けていた為で、銃撃戦でサイトーが負傷してしまう。サイトーを助ける為に射殺しようとするイームスに対して、ドム・コブは鎮静剤が強力過ぎるので、いま死んでしまうと、虚無に落ちることを皆に伝え、混乱のなか作戦を変更する。倉庫に逃げた6人は、ロバートを脅し、イームスは亡くなった父のモーリス・フィッシャーの右腕だったピーター・ブラウニングに化けて、嘘の情報をロバートに植え付けるのに成功する。武装集団に見つかり、車で逃げる6人は、車を運転するユスフ以外はロバートを伴って、第2階層のアーサーの夢であるホテルに入る。ホテルのバーで金髪美女に変身したイームスがロバートを口説く。そこで、ロバートにドムは夢の中にいることを敢えて伝えて追手を倒し、ロバートが監禁される予定だった部屋に入る。その部屋にブラウニングが現れた為、ロバートはブラウニングが陰謀の主であったかもしれないと思い、ロバートは率先して第3階層に入ることを望み、アーサーが残って5人はイームスの夢の中に入る。ユスフの運転する車は雨の中、武装集団からの攻撃を受けており、その中で眠る6人は常に第2階層でも重力の変化や振動、天候の異常を感じる。ホテルに残ったアーサーは、5人が眠った後は、上の階層で車が傾くと、重力が変化するような状況で追手と戦うことになる。第3階層は雪山の病院。イームスは囮として武装集団を引きつけ、その間にサイトーがロバートを伴って病院に潜入し、コブとアリアドネが護衛する。第1階層での、ユスフの運転する車は橋から突き落とされ、その衝撃で第2階層のアーサーも吹き飛ばされ、第3階層では雪崩が起きる。負傷しているサイトーを伴って、ロバートは金庫に入ることに成功するが、直前でモルが現れロバートを殺したために、モルは射殺するのだがロバートは虚無に落ちてしまう。作戦の失敗を謝罪するコブに、アリアドネは一緒に虚無に落ちて、ロバートを救うことを提案する。コブとアリアドネは虚無に入り、廃墟が崩れる海岸で目覚める。そこはコブが亡き妻のモルと愛し合っていた時に共に作った思い出の場所が詰まった世界であった。コブとアリアドネは、第3階層で射殺したモルと出会う。モルはコブに虚無に残ってほしいと頼み、コブはアリアドネに過去に戻りたくないと言ったモルに対してインセプションした過去を語る。次のキックが迫る中、コブをナイフで襲ったモルをアリアドネは射殺し、ロバートを見つけて高層階から突き落とす。第2階層では、、第2階層でホテルのフロアごと爆破して、キックという衝撃で5人を起こす作戦は使えなくなった為、アーサーは5人をまとめてエレベーターに乗せている。第3階層では、サイトーが武装集団を引きつけていたが、力尽きて亡くなってしまう。イームスが与えた電気ショックでロバートの蘇生に成功してロバートは生き返り、ロバートは金庫を開けて死ぬ間際の父モーリス・フィッシャーと対面して、遺言を得る。インセプションが成功したのを見届けて、イームスは第3階層の病院ごと爆破する。いまだモルに翻弄されるコブにアリアドネは戻ろうと懇願するが、コブは虚無にサイトーも落ちてくるから、彼を助けてからだと、先にアリアドネだけが第3階層の病院に戻り、病院の爆破で第2階層のホテルに戻り、第1階層の乗車中の車の落下で無重力となってしまったために、第2階層でキックを与えられず、アーサーはエレベーターに5人を乗せて爆破してキックの衝撃を与える。結果、川に落ちた車の中に乗っていた、アーサー、アリアドネ、ブラウニングに変装したイームス、ロバートが目覚めて、川に沈む車から脱出する。冒頭のドム・コブと、年老いたサイトーが食事をするシーンに戻り、虚無の世界で年月が経ったのが分かる。コブはサイトーにアイディアについて語り、サイトーに自殺を勧め、やがてドム・コブ、サイトー、アーサー、アリアドネ、イームス、ユスフ、ロバート全員が現実の飛行機の中で目覚める。コブはアメリカへの入国審査をパスすることができ、マイルス教授に空港で迎えられる。コブはアメリカの自宅にたどり着き、子供たちと再会するが、その時にトーテムの駒で現実か夢なのかを探ろうとするが、果たして駒は倒れるのか。