ג'ואל (ג'ים קארי) נדהם לגלות שחברתו (קייט ווינסלט) קלמנטיין עברה תהליך מדעי חדיש בו נמחקו כל זיכרונותיה הקשורים למערכת היחסים הסוערת ביניהם. מתוך ייאוש הוא פונה אל ד"ר האוורד מיירזוויאק, הממציא של התהליך למחיקת הזיכרונות, כדי שימחק את קלמנטיין מזיכרונותיו.
אך בעוד זיכרונותיו של ג'ואל הולכים ונמוגים, הוא מתחיל להתאהב מחדש בקלמנטיין. ממעמקי מוחו הוא מנסה להתחמק מהתהליך, בעוד הד"ר ואנשי צוותו (קריסטן דאנסט, מארק רופאלו ואלייז'ה ווד) רודפים אחריו במבוך זיכרונותיו.
צ'רלי קאופמן ממשיך את המסע המתפתל אל המוח האנושי, שהתחיל ב"להיות ג'ון מלקוביץ'", המשיך ב"וידויו של מוח מסוכן" וב"אדפטיישן". בסיפור שנמצא על הגבול בין מדע בדיוני לקומדיה רומנטית הוא מצליח לנסח אמירה צלולה ובהירה על הזיכרון והאהבה שהופכת את "שמש נצחית" לסרט מסקרן ומוצלח ביותר.