Dom Cobb (Leonardo DiCaprio) es arrastrado por la marea hasta una playa, donde es llevado por unos guardias hacia la recámara de un hombre anciano. La escena se corta y retrocede a otra donde Cobb y Arthur (Joseph Gordon-Levitt) están en una misión de "extracción", en la cual la mente de un individuo es infiltrada a través de los sueños para robarle información.
Los extractores y sus víctimas duermen en una contigua proximidad el uno del otro, conectados por un dispositivo conocido como "la máquina de los sueños", que administra sedantes y les permite compartir un mundo de sueños construido por el soñador y que luego es ocupado por proyecciones mentales (subconsciente) del sujeto al que se le extrae la información.
En el mundo de los sueños, el dolor es experimentado como real psicológicamente, pero el resultado de la muerte es el despertar. Cada miembro del equipo lleva consigo un tótem, un objeto que conocen a la perfección y que les permite distinguir si se encuentran en el sueño de otra persona o en la realidad.
El tótem de Cobb es una especie de peonza que en el mundo ficticio gira constantemente, mientras que en el mundo real termina por detenerse al ser imposible un móvil perpetuo por los principios de la termodinámica.
La misión resulta un fracaso exitoso, ya que Cobb logra extraer la información deseada pero el sujeto se percata de su engaño, incluso de que son dos los niveles de sueño establecidos para robarle dicha información.
Finalmente, el plan resulta ser una prueba orquestada por un poderoso empresario, Saito (Ken Watanabe), que contrata a Cobb y Arthur para que lleven a cabo un acto de incoación (origen, "inception" en inglés), que es implantar una idea a través de un sueño.
El objetivo es convencer a Robert Fischer (Cillian Murphy), hijo del dueño de la corporación rival de Saito, de terminar con el imperio de su padre, evitando así que se convierta en una superpotencia que amenazaría la compañía de Saito.
Cobb recluta a Eames (Tom Hardy), un falsificador que puede cambiar su apariencia en los sueños; Yusuf (Dileep Rao), un químico desarrollador de sedantes, ya que para llevar a cabo origen necesitan un potente sedante para que los sueños no se colapsen; y la nueva arquitecta del mundo de sueños, Ariadne (Ellen Page).
Una noche, mientras Cobb está conectado a una máquina (que para aquellos que han realizado muchos viajes es la única forma de soñar), Ariadne se adentra en el sueño de Cobb y descubre que la imagen de su esposa fallecida Mal (Marion Cotillard) lo acecha continuamente, tratando de sabotear sus misiones.
Cobb le revela a Ariadne que él y Mal compartieron sueños, llegando a quedar atrapados en el limbo durante cincuenta años. Tras despertar, Mal creyó que estaba soñando y que al suicidarse, volvería de nuevo a la realidad.
Pero amaba tanto a Cobb que quería volver con él, por lo que para forzarle dejó una nota para que pareciera que su marido quería asesinarla, pero él se niega.
Mal se suicida y él es acusado de su muerte, viéndose obligado a alejarse del país y abandonando a sus hijos.
Por esta razón acepta la misión que le ofrece Saito, ya que desea regresar a casa con sus hijos, y él le garantiza que, si consigue llevar a cabo su plan, hará que desaparezcan todos sus cargos.
Leonardo DiCaprio interpreta a Dom Cobb, protagonista de la trama.
Cuando el anciano Fischer fallece en Sídney, Saito y el equipo de Cobb comparten el vuelo con Robert Fischer hacia Los Ángeles y lo sedan. Entran en el sueño de Yusuf, una lluviosa área céntrica, y secuestran al joven Fischer.
Sin embargo, son atacados por defensas mentales —manifestadas como personal armado— y Saito es gravemente herido en el tiroteo.
Una vez en la casa del equipo, advierten que la misión se ha vuelto más peligrosa de lo previsto: Fischer fue entrenado para defenderse de potenciales extractores, por lo que sus proyecciones son militares cualificados.
Para empeorar las cosas, se dan cuenta de que debido a la intensidad de los sedantes, una muerte en el sueño no les despertará, sino que les enviará al limbo, un lugar en el que sus mentes permanecerán atrapadas, al menos hasta que se acaben los efectos del sedante, lo cual puede significar décadas en sueño paradójico, provocando que después de tanto tiempo, el limbo se convierta en su nueva realidad.
Deciden continuar con la misión, ya que es la única forma de seguir con vida.
Más adelante, Eames se transforma en Peter Browning (Tom Berenger), padrino de Fischer, para extraer información sobre él. Tras ello, intentan escapar de las defensas mentales de Fischer en una camioneta y se duermen para pasar al siguiente nivel de sueño, el sueño de Arthur, mientras que Yusuf se queda para proteger al resto del equipo.
El segundo sueño tiene lugar en un hotel donde el equipo engaña a Fischer, haciéndole creer que el secuestro en el primer nivel era real y organizado por Browning. Cobb convence a Fischer de entrar en el subconsciente de Browning para enterarse de los motivos, pero de hecho el equipo entra en el del mismo Fischer, permaneciendo Arthur en el nivel para proteger al equipo.
El tercer nivel es una fortaleza en una montaña nevada, en la que Fischer debe entrar para descrubrir la idea implantada. Fischer es asesinado por Mal, provocando que éste caiga al limbo. Mientras Eames y un moribundo Saito se quedan atrás para defenderse de las hostiles proyecciones de Fischer, Ariadne y Cobb siguen a Fischer a un cuarto nivel en un intento de salvar la misión y enfrentarse a Mal.
La Escalera de Penrosees incorporada para ejemplificar los objetos imposibles que se pueden crear en los sueños.
El cuarto nivel es la distopía de Cobb, donde Ariadne y él se enfrentan con Mal. Ésta intenta convencerle de que permanezca en el limbo con ella, haciéndole cuestionarse la realidad. Cobb confiesa que, originalmente, él introdujo en la mente de Mal la idea de que el mundo en el que vivían no era real, para así despertar del sueño —hecho que prueba que "origen" (inception) era posible— pero dicho pensamiento continuó creciendo incluso después de que ella despertara, lo cual hace a Cobb indirectamente responsable de su muerte.
Éste llega a la conclusión de que por más que se esfuerce, la proyección de Mal nunca será más que una sombra de lo que fue su verdadera esposa.
Ella le ataca, pero Ariadne le dispara y vuelve con Fischer a la fortaleza en la montaña, donde éste determina que su padre quería verle como un hombre independiente y decide disolver la empresa.
Para despertar al equipo de los sueños, las "patadas" (acciones que hacen que alguien despierte, como la sensación de caer) de cada nivel deben sincronizarse: explosivos en la fortaleza de la montaña, el ascensor del hotel cayendo y la camioneta estrellándose en el río.
Saito, herido, muere en la fortaleza y, aunque las patadas son inminentes, Cobb se mantiene en el limbo para localizarlo y llevarle de vuelta al mundo real.
La película conecta de nuevo con la escena del principio, donde Cobb, prevenido por las anteriores palabras del anciano y reaccionando ante ellas, continúa su diálogo con él —revelando a un envejecido Saito que ha pasado décadas en el limbo— para devolverlos a ambos a la realidad.
Entre ellos se desarrolla un diálogo en el cual ciertas frases les recuerdan a cada uno de ellos dónde se encuentran. Cobb le pide a Saito que regrese con él al mundo real y éste toma la pistola que estaba en la mesa junto a la peonza que aún giraba.
Inmediatamente, puede observarse cómo despierta Cobb; encuentra a todos en el avión, incluido Saito, quien cumple su acuerdo y Cobb entra en Estados Unidos, donde se reúne con sus hijos.
Al llegar a casa, hace girar la peonza para poner a prueba la realidad, pero sus hijos le distraen y pierde el interés.
La peonza gira sin descanso durante un largo rato, pero empieza a tambalearse al tiempo que la película finaliza y la pantalla se torna negra.
Estados Unidos
