西格蒙德公司（Sigmund Corp.）拥有一种能够编织人工记忆的技术，并为人们提供“实现愿望”的服务。然而，这种人工记忆会与人的真实记忆产生矛盾，因此这项技术只能用于临终的病人。
西格蒙德公司的两位职员伊娃·罗莎莉恩博士（Dr. Eva Rosalene）与尼尔·沃茨博士（Dr. Neil Watts）准备为垂死的约翰尼·威尔士（Johnny Wyles）实现毕生的梦想：去月球。但约翰尼并不知道自己想要前往月球的理由。为了完成这项任务，两位医生进入约翰尼的记忆里，借由约翰尼生命中的重要物品回溯时间。他们见证了约翰尼记忆中的一些重要时刻，渐渐地了解他与青梅竹马莉娃（River）之间痛苦的婚姻。两位博士终于到达约翰尼的童年之后，他们试图为小时候的约翰尼注入去月球的愿望，让约翰尼的内心产生基于这个愿望的新的人生与记忆，让约翰尼死时没有任何遗憾。
然而，约翰尼的大脑没有照计划产生新的记忆。罗莎莉恩博士和沃茨博士必须赶在约翰尼离世前解开他过去的秘密，不惜一切代价将他送往月球。最终，两位医生发现，约翰尼和莉娃在一次嘉年华中第一次相遇，他们在角落里一同仰望星空，发现星星组合起来像是一只兔子，而月球则像它的肚子。两人约定明年在同一个地点再见，如果约翰尼忘记了或迷路了，两人则“在月球重聚”。不久后，约翰尼的双胞胎哥哥乔伊（Joey）在意外中丧生。母亲给约翰尼服用了β受体阻滞剂，让他忘记了那场悲剧，同时也失去了与莉娃初遇的记忆。之后，约翰尼与莉娃再次相遇，两人最终结婚。莉娃却发现约翰尼不记得他们在嘉年华发生的事情，然而她身患阿斯伯格综合征，没能直接向约翰尼坦白，因此剪短了自己的头发、折了许多纸兔子，希望借此间接唤醒他的记忆。但莉娃直到去世都没办法让约翰尼回忆起当初的约定，给不明真相的约翰尼留下深深自责和隐约残存的去月球的愿望。
现实中，了解事实的罗莎莉恩博士和沃茨博士终于成功为约翰尼植入记忆。记忆中，约翰尼和莉娃在美国国家航空航天局相遇。弥留之际，约翰尼想象出与莉娃一同乘坐航天飞机前往月球的场景，他们最终结婚，建造了与现实中一样的房子。乔伊也没有去世，成为了一名有名的作家，出席了约翰尼的婚礼、一同聚会、帮忙建造约翰尼的房子。回到现实，保姆莉莉（Lily）继承了约翰尼的房子，他的墓地安排在莉娃的旁边。两位博士则接到任务，动身探访下一位病人。沃茨博士准备离开时，突然感到一阵与约翰尼相同的疼痛，他吞下止疼药，继续旅程。
