Ce qui suit dévoile des moments clés de l’intrigue.
Le film fait suivre l'histoire de Doug Quaid, un habitant du futur (an 2084) où les efforts de colonisation de Mars auraient porté leurs fruits Quaid a une vie tout ce qu'il y a de plus tranquille : il a un travail, des amis et une femme.
Tout pourrait aller pour le mieux mais Doug Quaid rêve très fréquemment de Mars et d'une femme qu'il connaîtrait là-bas alors même qu'il n'est jamais allé sur cette planète.
Ce rêve récurrent le pousse un jour à aller voir une société appelée Rekall malgré les recommandations de sa femme Lori et de son ami Harry.
La société Rekall vend des souvenirs qu'elle implante dans la mémoire de ses clients, prétendus aussi réels que le plus réel des souvenirs. Doug Quaid se laisse tenter par l'aventure et accepte qu'on lui implante des souvenirs d'un voyage sur Mars.
L'employé de Rekall lui déconseille dans un premier temps le voyage sur Mars, mais cède devant l'insistance de Quaid. Il lui propose alors de vivre des aventures d'un genre différent des simples vacances initialement désirées par Quaid.
Ces aventures ont pour nom croisière-égo et consistent en souvenirs factices d'une semaine (ou plus) passée dans la peau de la personnalité désirée. Le choix de Quaid se porte vite vers l'agent secret.
L'employé lui dit alors dans les grandes lignes que cette expérience en vaut vraiment le coup, qu'il y aura un très grand nombre d'ennemis qui lui en voudront à mort, qu'il y aura une femme qui finalement sera à ses côtés, qu'il devra découvrir un grand secret et que, à la fin, lui (le gentil) tuera tous les méchants et que tout finira d'une agréable manière.
Doug accepte alors de se faire implanter cette vie d'agent secret... et répond à une suite de questions (pour permettre de faire le meilleur souvenir possible) qui l'amène à sélectionner le type de femme qu'il rencontrera...
Il prend trait pour trait le portrait de Mélina, la femme de ses rêves.
L'implant se fait, mais il semble y avoir une complication et Doug Quaid est renvoyé (inconscient et incapable de se rappeler son passage chez Rekall) chez lui où de nombreuses surprises l'attendent.
En se réveillant, Doug est attaqué par Harry et un groupe d'hommes. Doug les tue tous (avec une facilité désarmante) et rentre chez lui pour en parler à sa femme. Celle-ci l'attaque bientôt, sans autre explication. Quaid arrive à la maîtriser et elle lui avoue qu'elle fait partie de l'Agence et qu'il n'est pas Doug Quaid, que sa mémoire a été effacée et qu'on lui a fait d'autres implants.
Doug commence alors à fuir, échappant de peu à ses poursuivants et récupère au bout d'un moment une mallette qui lui aurait autrefois appartenu.
La mallette révèle un écran où il se voit lui-même (enfin physiquement parce que la personne qui lui parle dit s'appeler Hauser) lui expliquant qu'il doit se rendre sur Mars afin d'aider la résistance martienne contre Cohaagen, l'administrateur de la colonie fédérale de Mars (incluant les mines martiennes — dont personne ne connaît l'existence sur Terre). Intrigué, Doug suit les conseils de son alter ego et arrive sur Mars...
Là-bas, il doit commencer sa mission... et découvrir Mars. Mais qui est-il vraiment ?
Douglas Quaid ? Hauser, le génial espion ? Les deux ? Aucun ?
S'agit-il de l'implant de mémoire ? Ou est-ce la réalité ?
