Terre, 2048. Doug Quaid fait chaque nuit le même cauchemar : en compagnie d'une belle jeune femme brune, il est victime, sur Mars, d'un accident mortel. A défaut de se rendre. sur cette planète pour élucider la cause de cette obsession, il opte pour la solution plus économique de la société Recall : on lui implantera dans le cerveau des souvenirs aussi précis et vivants que s'il avait vraiment passé un séjour là-bas.
Mais l'opération tourne mal. Quaid fait une "embolie schizophrénique" : les souvenirs implantés se heurtent à des souvenirs réels, preuve que, dans le passé, il a vécu sur Mars. Par ailleurs, son copain Harry et sa compagne blonde Lori essaient successivement de le supprimer. Grâce à certains documents. Quaid apprend alors son vrai nom, Hauser, et sa mission : retourner sur Mars, où règne l'infâme Cohaagen, et contacter Kuato, le chef des rebelles.
Débarqué sur la planète rouge, il se lie d'amitié avec Benny, un chauffeur de taxi, et retrouve Melina, la femme qui hantait ses rêves. En remontant la filière, il rencontre enfin Kuato, caché dans le corps de George, un des rebelles. C'est à ce moment qu'interviennent les hommes de Cohaagen. Quaid a été en effet manipulé -par Hauser, c'est-à-dire lui même - afin de permettre au dictateur de mettre la main sur l'insaisissable Kuato.
Après une bataille rangée entre les forces de l'ordre et les révoltés, et la trahison imprévue de Benny, Quaid aura le dessus. Son dernier cadeau à sa planète l'adoption sera de mettre en marche un réacteur nucléaire jadis construit par des extra-terrestres, qui a pour fonction de générer une atmosphère comparable à celle de la Terre. Ayant ainsi, à tous les sens du terme, rendu l'air de Mars plus respirable. Quaid pourra Filer le parfait amour avec Melina.