Erika Kohut, la quarantaine, est professeur de piano au Conservatoire de Vienne. Pour échapper à l'emprise de sa mère avec laquelle elle vit en vase clos, elle fréquente en secret les cinémas pornos et les peep-shows. Sa sexualité se résume à un voyeurisme morbide et aux mutilations masochistes qu'elle s'inflige. Erika est hors la vie, jusqu'au jour où l'un de ses élèves se met en tête de la séduire.
La vie de Henry Roth est simple. Lorsque ce vétérinaire spécialiste des animaux marins polaires ne travaille pas au parc Sea Life de Hawaï, il se consacre à son autre passion : les aventures sans lendemain avec de jolies touristes en mal de romantisme. Henry refuse toute liaison sérieuse par peur de compromettre son rêve de partir en Alaska étudier les morses… Pourtant, lorsqu’il rencontre Lucy, il est tout de suite fasciné. Enfreignant sa propre règle qui lui interdit de charmer des jeunes femmes du coin, Henry aborde Lucy, discute agréablement avec elle et obtient même un rendez‐vous pour le lendemain. Lorsqu’il s’y présente, Lucy ne le reconnaît pas et hurle à l’agression. Henry va découvrir que la jeune femme souffre d’une étrange maladie qui, chaque nuit, lui fait tout oublier. S’il veut vivre quelque chose avec elle, chaque jour devra être comme le premier…
Le film relate l'histoire d'Adèle Hugo, deuxième fille de Victor Hugo. Ce dernier, obnubilé par la mort accidentelle de son aînée, Léopoldine Hugo, avait délaissé la cadette. Adèle connaît par la suite un amour passionné, voire obsessionnel, pour le lieutenant britannique Pinson qui ne la paye pas de retour. Elle termine sa vie dans la déchéance et la folie.
À Londres, durant l'automne 2003. Lisa, une étudiante américaine, rencontre l'anglais Matt lors d'un concert de Black Rebel Motorcycle Club à la Brixton Academy. C'est le coup de foudre immédiat, le point de départ d'une histoire d'amour sensuelle, charnelle. Une histoire passionnée qui durera un an et se conclura pourtant par une rupture sans appel.
Joel et Clementine ne voient plus que les mauvais côtés de leur tumultueuse histoire d’amour, au point que celle‐ci fait effacer de sa mémoire toute trace de cette relation. Effondré, Joël contacte l’inventeur du procédé Lacuna, le Dr. Mierzwiak, pour qu’il extirpe également de sa mémoire tout ce qui le rattachait à Clémentine. Deux techniciens, Stan et Patrick, s’installent à son domicile et se mettent à l’œuvre, en présence de la secrétaire, Mary. Les souvenirs commencent à défiler dans la tête de Joël, des plus récents aux plus anciens, et s’envolent un à un, à jamais. Mais en remontant le fil du temps, Joël redécouvre ce qu’il aimait depuis toujours en Clémentine – l’inaltérable magie d’un amour dont rien au monde ne devrait le priver. Luttant de toutes ses forces pour préserver ce trésor, il engage alors une bataille de la dernière chance contre Lacuna…