拥挤的胡同，破旧的筒子楼，一个戴着眼镜和口罩的身影正在上楼，身边路过的邻居赋闲坐在楼道，兴致勃勃地抱怨着生活、讲着昨天夜里又做了什么梦、还有家长里短的八卦事。
　　漆黑的屋子，看不清里面的构造，一个黑色的身影在秘密研究着某种精密仪器。机器飞速运转，屏幕中无数代码与图像飞跃出来。另一个屏幕显示，雷达里有五个红点正在闪烁。神秘人露出深不可测的微笑。
　　一栋大楼的楼体外侧，熊熊烈火正从下往上呼啸蔓延，在中部平台上的人已无法从楼体内部逃生，他们不得不凭借窗台边缘和墙体表面的凸起做借力点拼命向上攀爬，只有爬到楼顶才有生还的机会。
　　王楠是一名年轻警察，平日对自我的严格要求使他在这场灾难里成为体力佼佼者，他在攀爬的过程中依次救了差点脱手坠落的大学生林晓枝和惊恐无助渐渐失去求生欲的少年李阳。与此同时，女明星顾盼盼利用男人的弱点向正确的人求助成功，也成功到达大厦顶端。企业家陈德华当面一套背地一套，只顾自己生不顾别人活，以和他人合作为由保全了自己却事后踩了别人，但也到达顶端。五人历经艰难爬到楼顶，看向下面，早已是火海一片，如果不赶快逃离大厦，随时都有生命危险。
　　这时一阵轰隆声从远处传来，一架直升机飞到他们的头顶，直升机里，只见一个身影模糊的白衣女子放下两个安全绳。众人商议送谁上去，王楠提出肯定是妇孺先上，所以顾盼盼、林晓枝和李阳被推了出来，林晓枝却主动让出了名额，称一定还有别的办法让顾盼盼和李阳先走。奸猾的陈德华见无论如何都没有自己的份，本性暴露，一把推开孱弱的李阳，自己带着顾盼盼上了直升机。李阳撞到已经裂开的栏杆上坠落，王楠和林晓枝抓住了李阳，但这时直升机已经缓缓飞走，大厦开始坍塌，三人无处支撑，最终一起掉下。
　　王楠猛然惊醒，发现刚才是一场噩梦。手机铃响，公安局的同事紧急呼叫他赶紧赶到。
　　正在洗漱的林晓枝上网搜索周公解梦，查梦见火灾意味着什么，突然刷到网上的一则新闻，满脸惊恐。
　　王楠来到公安局，同事焦急地给了他两份材料。王楠看到大吃一惊，案卷中显示今早发现两人离奇死亡，死者正是自己昨晚梦中的顾盼盼与陈德华。身为二三线女星的顾盼盼风评并不好，沉迷名利，在娱乐圈这个大染缸中也没少做色情勾当；陈德华早年间在商界还算小有名气，但随着市场竞争激烈地发展，他的小聪明早已被消耗光，现在的他早已负债累累。到底是什么原因让两个毫不相干的人在同一时间离奇死亡？王楠对他们身边有作案动机的人都展开排查，但逐步排除了所有人的嫌疑。其实王楠心里一直对昨晚的梦有很深的疑惑，为什么这两个与自己从未相识的人会出现在自己的梦里？并且梦里二人最终搭乘直升机逃走，今早就离奇死亡，种种巧合都让王楠摸不着头脑。
　　不久后，尸检报告显示二人猝死，系自然死亡。王楠向领导汇报了自己梦的事，但由于尸检报告已经确认，王楠也就不再深究。此时，以提供线索为由的林晓枝来到公安局，她向警察阐述着自己梦中的内容，但因为构不成案件，所以警察劝林晓枝回去。由于曾经著名的企业家与如今大热的女明星死亡太过巧合，娱乐媒体开始虚构二人疑为情杀等，各种讨论铺天盖地开始蔓延，社会舆论的发酵迫使警局不得不重新调查。
　　王楠在公安局门口遇见了碰了一鼻子灰的林晓枝，二人震惊地对视，原来梦里其他人也确有其人！
　　二人经过交谈，发现那晚他们做的梦境内容竟然一模一样，好像二人真的共同经历过这件事一样。通过公安的呈像系统，他们找到了少年李阳。此时的李阳打算做一个“噩梦”主题画展，其中一幅画提醒了王楠。画中，直升机上，是一位面目清晰的白衣女子。
　　李阳是一个画画上天赋异禀的人，他不仅有超强的记忆力，并且画画水平也独具匠心。王楠根据李阳的画，查到了白衣女子的真实身份，但白衣女子早已死于脑癌。调查又一次陷入了僵局，林晓枝将著名精神分析学耿教授介绍给王楠，耿教授表示对此事有极大兴趣。
　　耿教授说，一直听说过梦境科学论这个理论猜想，但却没见有人实现过，他记得有几个基础的概念，分别是共梦和同梦，都是造梦的一种。白衣女子不一定是真正的凶手，因为造梦者可以幻化自己的形象，但是造梦者本人的行为习惯和特征在梦中是不能被掩盖的。林晓枝似乎记得白衣女子每次低头的时候都会无意间做出摸鼻梁的动作，经三人一番猜测，推断出造梦者应该是长期佩戴眼镜，所以会无意识做出推眼镜的动作。
　　李阳废寝忘食，将梦中攀爬绳、汹涌的火势、楼体凹凸的墙面、英勇的王楠等细节都展示了出来。
　　耿教授又告知众人，人的心脏不能承受时间过久的激动，所以当在梦中到达一定时间，大脑防御机制就会制造危险将你唤醒，所以在梦里死，现实才会生。所以陈德华顾盼盼很可能是因为没能被自己的大脑防御机制唤醒，所以最终被永远地留在梦里，导致现实中心脏衰竭而亡永远活在梦中。所以这很有可能是一场凶杀案！
　　在耿教授的指导下，王楠和林晓枝又仔细回忆梦中的其他线索……床单都是白色？火警的警报声好像和心率检测仪的声音相似？种种猜测让他们初步推测，造梦者可能与医院有关，可能是与医院频繁接触的病人、医生或护士。当天晚上，王楠和林晓枝因研究到很晚，所以在留在耿教授家中过夜。
　　昏暗的实验室内，神秘的背影面前是一张贴满照片写满文字的白板，白板上五人的照片下，都有一行字，有的写着贪婪、有的写着善良、有的写着勇敢……而王楠的照片被红笔圈了出来，神秘人对王楠似乎极为感兴趣。
　　神秘人将造梦仪器接通电源，屋内所有电器的灯都闪烁了几下，滋滋作响，仿佛预兆着将要发生什么惊天动地的大事。雷达屏幕上显示有三个闪烁的红点，他激动地又一次按下了start按钮。
　　热闹街区，人潮涌动，王楠（李阳、林晓枝同梦）从512路老式公交车上下车，穿过过街天桥下的马路，向右手边的医院走去。王楠打开医院外的大门。镜头一转，王楠在医护人员的配合下进行着脑科手术。手术进展顺利，王楠将剩下的善后工作交于副手后来到门口，摘了眼镜休息了下眼睛，然而就在此时，墙上的联络电话突然响起，他得到消息，自己的父亲突然摔倒脑出血情况危急，此时就在隔壁准备抢救。然而就在他加快速度脱手术服的时候，手术台上的病人情况也突然恶化。王楠（李阳、林晓枝同梦）大脑突然一片空白，但经过一番纠结与斗争，最终王楠（李阳同梦）选择留了下来，救病人；而林晓枝毅然决然地选择了奔向父亲的抢救室。王楠和李阳这边，最终病人的病情还是没能控制住，抢救无效死亡，父亲也去世了。林晓枝这边参与父亲急救，手术成功，父亲脱离危险，但病人却在手术中死亡。
　　事后，三人都面临着不同的内心煎熬。病人家属开始大肆闹事，医院在社会舆论的压力下不得不停了医生的职。林晓枝虽然救回了父亲，但内心饱受煎熬，被家属一气之下砍死。王楠和李阳虽然没有选择救父亲，但病人家属也心生怨恨将二人的手砍伤。林晓枝在一片惭愧中醒来，而王楠和李阳在对父亲去世的自责和病人死亡的打击下陷入了一片混沌的黑暗之中。
　　神秘人从实验室醒来，他的眼角有一滴泪流下，看着雷达上已经没有红点闪烁，他愤怒地将桌上的所有东西都挥扫在地。起初，吕文远只是想扩大自己的梦境实验，观察不同的人在极端环境下的人性选择，所以在第一个梦中，他刻意制造了一架直升机，破坏了顾盼盼与陈德华的防御机制，将他们困在梦中。但王楠的出现让他提起了兴趣，他仿佛在他身上看到了曾经的自己，他想让他面临一次与自己当初相同的境遇，看他会如何抉择，但他知道王楠却永远醒不过来了。
　　耿教授家，王楠一点点苏醒，耳边林晓枝的呼喊声越发清晰。原来，林晓枝在醒来后发现王楠没有醒来，立刻叫来耿教授利用某种科学方式唤醒了王楠，他才得以生还。依稀间，王楠看到林晓枝脸上的着急、担心化为了欣慰的微笑，他第一次看到林晓枝笑起来的样子，心中莫名一阵惭愧和感动。恍惚间，眼前的这张脸仿佛与前女友的脸重合。
　　在经历过两次梦中生死后，王楠与林晓枝对彼此的感情也发生了细微变化。他们伏在阳台上谈心，林晓枝身世穷苦，现在半工半读才有机会结识父亲一般的耿教授和他学习科学知识。可是，林晓枝却发现，王楠对于过去闭口不谈，似乎还没打开心扉。
　　耿教授开始系统研究梦境科学论，林晓枝为他做帮手。
　　李阳在梦中死去，他的父母为他开办了遗作画展，吕文远也偷偷来到画展，却不想在门口看到了王楠！吕文远大惊失色，他不是应该死了吗？为什么还完好地出现在眼前？吕文远既震惊又害怕，他回到实验室，将屋内的一切都砸烂、销毁。他拿出仪器内的芯片，放在手表内逃走。
　　从小，吕文远就暗暗憎恨那些圆滑奸诈的人，因为自己的哥哥，他总被误解和指责，他与家人的关系也并不亲密，所以他拒绝犯错，努力让自己成为一个不会出错的人，以至于连大学专业和职业他选择的都是需要精密能力的脑外科专业。
　　王楠和林晓枝在画展中挖掘出了更多的线索，经过一步步的推理，最终查到一家医院处。
　　王楠进入两家医院调查，一开始，在与医生和护士的交谈中，他们并没有发现什么线索，但一个外科医生的手引起了他们的关注！原来医生因为长期做手术，手部需要不断清洗揉搓，所以他们的手也非常粗糙，而他们之前认为是干粗活的病人，这个方向就错了！
　　通过院长，他们意外得知一件事情，吕文远医生曾经是这家医院非常有名的脑科医生，但因为一次医疗事故，不仅精神遭受双重打击，他的手也被人砍伤，在各方压力下他如同人间蒸发了一般。王楠和林晓枝大为震惊，因为这件事与梦境内容太过相似了，这之间一定有何联系。王楠通过医生档案，发现吕文远不仅戴眼镜，而且职业也符合手部粗糙的特征，再细致追查，原来白衣女子是他实习时的第一个病人，所以可能对他印象深刻。种种一切线索，加之他的手上也有刀痕的细节，都将凶手的真面目指向了吕文远！
　　王楠拨打吕文远的电话发现关机，查他的信用记录发现他即将逃往国外。