« Qual è il parassita più resistente? Un'idea. Una singola idea della mente umana può costruire città. Un'idea può trasformare il mondo e riscrivere tutte le regole. Ed è per questo che devo rubarla. »
Dominic "Dom" Cobb è un professionista che si occupa di "estrarre" segreti dalle menti delle persone mentre queste dormono, infiltrandosi nei loro sogni tramite un apparecchio a timer in suo possesso, che permette a un gruppo di persone di partecipare a un "sogno condiviso". Insieme al suo socio Arthur, cerca di entrare nella mente di Saito, un potente uomo d'affari giapponese, per eseguire un'estrazione, ma fallisce quando la moglie defunta di Cobb, Mal, appare nel sogno interferendo con l'operazione.
Saito propone quindi a Cobb un accordo: grazie alle sue conoscenze gli permetterà di tornare negli Stati Uniti, da dove è dovuto fuggire perché accusato dell'omicidio della moglie, e rivedere i suoi due figli, e in cambio il team di estrattori dovrà eseguire per lui il processo opposto all'estrazione, chiamato "innesto" (inception nella lingua originale): inserire nella mente di Robert Fischer, erede del rivale d'affari di Saito, l'idea di dividere il suo impero economico alla morte del padre. Cobb recluta dunque Eames, un falsario in grado di cambiare aspetto all'interno dei sogni, Yusuf, un chimico anestesista e Arianna[1], una brillante studentessa di architettura che avrà il compito di istruire i sognatori su come "immaginare" il mondo in cui si troveranno. Il sogno sarà inoltre a scatole cinesi: una volta entrati nel sogno, cioè, i partecipanti si addormenteranno a loro volta, trovandosi in un sogno di secondo livello (cioè in un "sogno dentro un sogno"), e poi ancora una volta, accedendo a un terzo livello, quello in cui avrà luogo l'innesto. Poiché il tempo durante i sogni scorre molto più lentamente, con tale struttura il tempo a disposizione si sarebbe dilatato in ogni livello, passando da poche ore a intere settimane.
Il team prepara quindi l'operazione. Dopo la morte del padre a Sydney, Cobb e i suoi attendono che Fischer prenoti il volo che lo porterà a Los Angeles: quindi, Saito compra la compagnia aerea, per poter disporre a piacimento dell'aereo e del suo personale, e sale a bordo con il resto della squadra (fingendosi normali viaggiatori) insieme all'ignaro Fischer. La durata del volo permetterà loro di avere il tempo e la tranquillità necessari a eseguire l'innesto. Fischer viene anestetizzato con uno stratagemma, trovandosi nel sogno di Yusuf. Qui il team rapisce Fischer, ma inaspettatamente subisce l'attacco delle squadre speciali del suo subconscio, addestrato con particolari tecniche proprio per contrastare eventuali estrattori. Saito viene ferito gravemente e rischia di morire, e così di finire in un limbo tra il sogno e la realtà, poiché il potente anestetico non permette ai sognatori di svegliarsi se vengono uccisi, come accadrebbe nei sogni condivisi portati avanti senza anestetico.
Ogni membro del team è dotato inoltre di un totem, un oggetto da usare per sapere se si è nel sogno di qualcun altro: tale oggetto deve avere una particolarità nota solo a chi lo possiede, in modo che essa non si presenti nei sogni di chi non la conosce (perché è chi sogna a definire la fisica del "proprio" mondo). Il totem di Arthur, ad esempio, è un dado truccato, che si comporta come un dado normale nei sogni altrui, mentre cade sempre sulla stessa faccia nei suoi. Il totem di Cobb, invece, si comporta al contrario: è una trottola, che normalmente, posta in rotazione, si ferma e cade, mentre nei propri sogni è in grado di restare perennemente in movimento senza mai cadere.
Durante l'operazione Cobb confessa di aver sperimentato i sogni su più livelli con la moglie Mal, e che con lei era vissuto in un mondo onirico da loro creato per 50 anni, grazie alla dilatazione del tempo. Durante tutto questo tempo Mal aveva perso la cognizione del sogno convincendosi che quella fosse la sua realtà, e Cobb aveva dovuto persuaderla che l'unico modo per risvegliarsi e tornare alla realtà fosse suicidarsi nel sogno. Il risultato che ebbe fu proprio un innesto: l'idea, cioè, si impiantò profondamente nel subconscio della donna. Non aveva però previsto che, una volta risvegliata dal lungo sonno, quell'idea sarebbe rimasta nella sua mente spingendola a credere, anche nella vita reale, di trovarsi ancora in un sogno, e quindi a uccidersi per cercare di uscirne. Per convincere Cobb a seguirla, Mal aveva riferito al suo avvocato di false accuse di morte da parte di lui, in modo che, se non si fosse suicidato con lei, sarebbe stato braccato dalla polizia. Per questo lui era stato costretto a fuggire dagli Stati Uniti abbandonando i loro due figlioletti.
Tornando all'operazione, nel sogno artificiale Eames assume le sembianze di Peter Browning, padrino di Robert Fischer e braccio destro del padre, per estrarre da questi delle informazioni. Tutto il gruppo entra in un furgoncino guidato da Yusuf, che si occupa di anestetizzare tutti gli altri e farli scendere così nel secondo livello del sogno, stavolta residente nella mente di Arthur. In questo livello si ritrovano tutti in un hotel, dove la squadra di Cobb riesce a convincere Fischer di trovarsi in un sogno, e che il suo rapimento era stato orchestrato dallo zio per estorcergli informazioni. Verrà così portato in una camera e convinto a entrare a sua volta "nella mente di Browning" per scoprire la verità: stavolta quindi gli viene chiesto di partecipare volontariamente al sogno di terzo livello, che in realtà si svolgerà nella sua stessa mente. Questo livello è ambientato in montagna, ed è qui che a Fischer verrà infine innestata l'idea: in un bunker gli verrà fatto incontrare il padre, che quando era in vita l'aveva sempre sottovalutato, e si convincerà che dividere il suo impero economico e ripartire da zero sia un modo per dimostrargli il suo valore.
Per far risvegliare la squadra, un membro del team rimane sempre sveglio in ogni livello per occuparsi del "calcio", ossia provocare negli altri, che invece dormono, una sensazione di caduta: sincronizzando i vari calci con un segnale sonoro, così, la squadra risalirà i livelli fino a tornare alla realtà. Il calcio del primo livello viene affidato a Yusuf, che farà cadere il furgoncino da un ponte; nel secondo livello, Arthur farà saltare il pavimento della stanza. Durante il salto del furgone, tuttavia, il secondo livello si ritrova in assenza di gravità, per cui Arthur dovrà usare la "caduta" di un ascensore spinto verso il basso da cariche esplosive.
Nel terzo livello, però, Fischer viene ucciso dalla proiezione di Mal, finendo quindi nel limbo. Sfruttando il fatto che il limbo si comporta di fatto come fosse un livello inferiore (da cui ci si può svegliare se si riceve un calcio, che in questo caso sarà fornito da Eames, che farà saltare in aria il bunker), Cobb e Arianna lo seguono per salvarlo e confrontarsi con la donna, per placare il senso di colpa di Cobb, ma questa cerca di convincerlo a restare con lei nel limbo facendogli dubitare della sua realtà. È qui che Cobb rivela di essere stato la causa involontaria del suicidio della moglie, con l'innesto dell'idea che l'aveva spinta a credere di dover morire per tornare alla realtà.
Mal lo aggredisce, ma Arianna le spara, cancellandone così la proiezione dal subconscio di Cobb, il quale ormai ne aveva elaborato il lutto. Proprio in quel momento, i componenti della squadra sentono il segnale che prelude al calcio. Arianna e Fischer, suicidandosi, tornano nel terzo livello mentre Cobb resta per cercare Saito, che in seguito ad una ferita subita nel primo livello è ormai morto in tutti e tre i livelli del sogno e sta ora invecchiando inesorabilmente nel limbo. Cobb riesce infine a trovarlo, e il giapponese onora il loro patto promettendogli di farlo rientrare con l'immunità negli Stati Uniti.
Cobb, Arthur, Arianna, Yusuf, Eames, Robert e Saito a missione compiuta si risvegliano sull'aereo che sta per atterrare a Los Angeles. Una volta a casa, Cobb fa girare il totem per controllare di non trovarsi in un suo sogno, ma viene distratto dai suoi due figli, che può finalmente riabbracciare, e corre loro incontro prima che riesca a scoprire se questo cadrà o meno
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