Henry (Ryan Gosling), un joven mentalmente perturbado, le anuncia a Sam Forster, su psiquiatra (Ewan McGregor), que piensa suicidarse en un plazo de tres días, cosa que el psiquiatra intentará evitar. Por otra parte, Henry se dedica a enturbiar la relación de Sam con su novia Lila (Naomi Watts), pintora y antigua paciente suya. Poco a poco, la sólida y racional mente de Sam empieza a tambalearse. Sometido a situaciones cada vez más surrealistas, llega un momento en que ya no puede distinguir entre realidad y ficción, y su yo y el de Henry se confunden.