Zakochany bez pamięci opowiada niezwykłą historię Joela (Jim Carrey), którego rzuciła dziewczyna - zadziorna Clementine (Kate Winslet). Znudzona związkiem Clementine postanawia usunąć ze swego życia wszystko, co kojarzyć się może z Joelem. Nie tylko wyrzuca ze swojego pokoju zdjęcia i pamiątki. Poddaje się również skomplikowanej operacji, podczas której specjaliści (Kirsten Dunst, Elijah Wood, Tom Wilkinson) usuwają z jej mózgu wszystkie wspomnienia o ekschłopaku. Zakochany Joel postanawia zrobić to samo, ale w trakcie zabiegu zmienia zdanie…