نولان پس از یک سانحه شدید همسرش را از دست داده و خودش نیز با آسیب حافظه روبه‌رو شده است. او باید هم پدر دختر کوچکش باشد و هم زندگی‌ای را از نو یاد بگیرد که جزئیات زیادی از آن را به خاطر نمی‌آورد. وقتی یک پزشک به او درمان آزمایشی پیشرفته‌ای پیشنهاد می‌دهد، نولان امیدوار است خاطرات ازدست‌رفته و توانایی‌های قبلی‌اش بازگردند. «Black Box» از فناوری ثبت و بازسازی حافظه برای ساختن یک تریلر روان‌شناختی استفاده می‌کند. جلسات درمانی نولان را وارد فضای ذهنی‌ای می‌کنند که در آن صحنه‌های گذشته، چهره‌ها و موجودی تهدیدکننده ظاهر می‌شوند. هرچه درمان پیش می‌رود، بعضی خاطرات با روایت اطرافیان جور درنمی‌آیند و او می‌پرسد آیا آنچه در ذهنش می‌بیند واقعاً متعلق به خودش است. رابطه با دخترش مهم‌ترین لنگر او در واقعیت است و هر تغییر رفتاری می‌تواند اعتماد میانشان را از بین ببرد. فیلم فقط درباره پس گرفتن حافظه نیست؛ پرسش اصلی این است که هویت فرد چقدر به مجموعه خاطراتش وابسته است و اگر ذهن با داده‌ای که متعلق به دیگری است پر شود، چه چیزی هنوز «خود» باقی می‌ماند.