Будущее, 2084 год. Строителю Дугласу Куэйду (Арнольд Шварценеггер) регулярно снятся сны, в которых он находится на Марсе в сопровождении милой брюнетки. Увидев рекламу компании «Реколл», обещающей проведение прекрасного отпуска, путем вживления в память воспоминаний, Дуглас решает совершить подобное «путешествие». Несмотря на предупреждения коллег, что, если что-то пойдет не так, эта затея грозит потерей памяти, главный герой отправляется в офис «Реколл». После выбора необычного варианта «путешествия» — миссию на Марс в качестве шпиона, трансплантация памяти начинается.

Неожиданно Куэйд испытывает приступ гнева, кричит о людях, которые пытаются его убить, пытается вырваться. Оказывается, операция затронула область памяти, которая была стерта ранее. Стерев все воспоминания о посещении компании «Рекол», Дугласа отправляют домой. Внезапно на него нападают коллеги по работе. Дома Дугласа пытается убить собственная жена (Шэрон Стоун). Куэйду звонит незнакомец, и представившись старым другом, передает чемоданчик с деньгами, оружием и поддельными документами. Среди прочих вещей Куэйд обнаруживает видеозапись, помогающую ему понять, что же случилось — прошлое Дугласа действительно связано с Марсом, где он был секретным агентом. Преследуемый людьми Рихтера (Майкл Айронсайд), одного из людей администратора Марса Вилоса Кохаагена (Ронни Кокс), Куэйд отправляется на Красную планету.

Прибыв на Марс, Куэйд обнаруживает, что Кохааген владеет монополией на воздух и что значительная часть населения Марса мутировала в результате отсутствия качественного воздуха и надлежащей защиты от космического излучения. Встретив свою бывшую подругу Мелину (Рэйчел Тикотин) и узнав своё настоящее имя — Хаузер, главный герой присоединяется к подпольному сопротивлению.

Мелина и Куэйд находят лидера сопротивления Куато, с помощью которого Куэйд вспоминает о загадочных инопланетных машинах, установленных в пещерах Марса. Внезапно появившиеся войска Кохаагена убивают Куато, а сам Кохааген объявляет Куэйду, что все произошедшие события были спланированы заранее. По словам Кохаагена Куэйд, с самого начала лояльный марсианской администрации, согласился на стирание памяти, чтобы войти в доверие к Куато. Теперь, с победой над сопротивлением, Куэйду вновь вживят старое сознание. Однако, Хаузеру-Куэйду удается убежать от Кохаагена, с боем прорваться к инопланетному механизму, который оказывается генератором атмосферы, пригодной для дыхания и запустить его.

В финале фильма, когда герои стоят на фоне Марса, заполняющегося воздухом, Куэйд начинает задаваться вопросом, не является ли все, через что он прошел, вживленной фантазией. Такой сюжетный ход частично подтверждается рядом намеков, например — точным описанием доктора, уговаривающего Куэйда принять лекарства, дальнейшей сюжетной линии («Вы будете то спасителем повстанцев, то лучшим другом Кохаагена. Затем в ваших фантазиях появятся инопланетяне… Все, как Вы и просили»), точным портретом Мелинды в компьютере «Реколла» в момент наложения памяти о путешествии и, собственно, названием наложенного воспоминания по каталогу фирмы «Реколл» — «Голубое небо над Марсом».