Sur un coup de tête, Joel prend la direction opposée à son travail et gagne la plage de Montlauk. Il y rencontre Clementine, drôle de fille aux cheveux bleus, et succombe à son charme. Mais un jour, elle ne le reconnaît pas. Il apprend qu'elle l'a effacé de sa mémoire, grâce au procédé Lacuna du Dr. Mierzwiak. Il se rend alors au cabinet pour subir le même traitement. On dresse une cartographie de ses souvenirs, que l'on effacera ensuite pendant son sommeil. Mais durant le traitement, Joel veut se rétracter. Il s'efforce alors d'emmener Clémentine hors de la "carte", dans des recoins cachés de sa mémoire. Mais leur fuite est vaine, le docteur parvient à effacer jusqu'à leur rencontre (lors d'un pique-nique). Joel et Clementine ont eu le temps, toutefois, de se donner rendez-vous sur la plage de Montlauk. L'opération terminée, Mary apprend qu'elle a également subi le traitement : Mierzwiak, son amant adultère, a été effacé de sa mémoire. Réalisant l'horreur d'une telle "déconscience", elle envoie à tous les patients le dossier de leur mémoire perdue. Le matin, sur un coup de tête, Joel gagne la plage de Montlauk. Il y rencontre Clementine, drôle de fille aux cheveux bleus, et succombe à son charme. A leur retour, ils trouvent les cassettes contenant les raisons pour lesquelles ils ont voulu jadis s'"effacer" l'un l'autre. Ils décident néanmoins de se donner une seconde chance.