Le docteur Sam Stein a toujours vécu pour son travail. Son dévouement a porté ses fruits avec le développement du système CAVE (Computer Aided Visual Environment), un système d'environnement visuel assisté par ordinateur qui permet aux médecins de se connecter directement au cerveau de leurs patients. Lorsqu'un accident plonge sa collègue Rachael Carter dans le coma, Stein décide d'utiliser CAVE à ses propres fins, en pénétrant dans le cerveau de Rachael pour lui dire ce qu'il n'a pas pu lui dire lorsqu'elle était consciente : qu'il l'aime. Stein découvre cependant que l'amour prend des tournures étranges lorsqu'il pénètre dans le monde virtuel de CAVE et que les complexités du cœur humain ne se traduisent pas facilement en bits et en octets.