《无法磨灭》的故事发生在西雅图。一宗商店命案发生后，曾被指控谋杀妻子的法医大卫前往现场勘验，却意外发现案发痕迹竟与妻子遇害时留下的线索如出一辙。为了查清真相，他开始私下调查，但始终没有取得进展。
直到一次募款晚会上，大卫结识了神经学教授玛莎。玛莎正在研究一种特殊药剂，能够将老鼠的记忆移植到另一只老鼠体内。受此启发，大卫偷走药剂，将死者的记忆注入自己体内，试图亲身重现命案经过，从而找出真正的凶手。就在他努力协助警方破案之际，嫌疑人却在与警方对峙时中枪身亡。
唯一的线索就此中断，大卫只好继续借助死去嫌疑人的记忆追查真相。本以为案件和自己多年来蒙受的冤屈即将水落石出，然而随着他逐步体验那段记忆，所有事实却彻底反转，一场与大卫自身息息相关的惊天谎言也随之浮出水面。
